5.2.2024

Kuinka sähköä tuotetaan fuusiovoimalassa?

electricity-4694069_540.jpg

Utelias lukijamme kysyy:

Olen nyt viime aikoina yrittänyt ymmärtää kuinka fuusiolla toimivat energiavoimalat toimisivat ja suurin ongelma on löytää luotettavaa tietoa reaktorissa käytettävän plasman muuntamisen sähköksi metodeissa. 

Toki ymmärrän aineen pyörittämän turbiinin toiminnan, mutta miten se plasman energia saadaan siirretyä kuumentamaan tuota ainetta? Jos se plasma pidetään magneettikentillä aisoissa ja on niin kuumaa, jota mikään materiaali ei kestä niin miten tämä olisi edes teoriassa mahdollista?

Onko olemassa muita teoreettisesti tai käytännössä toimivia mahdollisia menetelmiä muuttaa plasman energia sähköksi?

Onko muita tapoja pitää reaktorin plasma kurissa muutoin kuin magneettikentillä?

Akatemiatutkija Antti Snicker VTT:stä vastaa:

Tässäpä erinomainen kysymys! Erityisesti viime aikoina olemme lukeneet useista eri julkisista ja yksityisistä hankkeista, jotka tähtäävät energian tuottamiseen fuusioreaktioiden avulla erilaisia tekniikoita hyödyntäen. Jotta emme ajautuisi pitkään listaan eri tekniikoista, käsitelkäämme tässä vain perinteistä ideaa, jossa fuusiopaloa hallitaan magneettikentillä (kuten kysymyksessäkin oletetaan) ja polttoaineena ovat vedyn raskaat isotoopit deuterium ja tritium. Tämän on laajasti ajateltu olevan helpoin ja lyhyin tapa kohti kaupallista fuusioenergiaa.

Laitoksen ytimessä meillä on siis plasma, joka koostuu pääosin deuteriumista ja tritiumista. Olosuhteiden ollessa suosiolliset (riittävä lämpötila ja tiheys), nämä alkavat fuusioitua keskenään. Kussakin reaktiossa syntyy energian lisäksi fuusiotuotteina neutroni ja heliumydin (eli alfahiukkanen). Näistä alfa on varattu hiukkanen, joka siis kokee sähkövarauksellaan plasmaa hallitsevan magneettikentän ja jää siihen samaan tapaan loukkuun kuin polttoainekin. Sivuhuomiona todettakoon, että alfahiukkanen toimii myös plasman pääasiallisena lämmittäjänä. Mutta neutroni puolestaan on sähkövaraukseltaan neutraali, joten se jatkaa matkaansa suoraviivaisesti siihen suuntaan, johon sattuu olemaan matkalla, totaalisesti välittämättä magneettikentästä. Niinpä neutroni poistuukin pikaisesti plasmasta. Kuten monesti fysiikassa ja elämässä, neutroni on sekä uhka että mahdollisuus. Tarkastellaan siksi, mitä neutroni saa aikaan plasman ulkopuolella.

Plasmaa ympäröi yksi reaktorin tärkeimmistä komponenteista, hyötövaippa (englanniksi "breeding blanket"). Tämän komponentin pääasiallisiin tarkoituksiin nimensä mukaisesti kuuluu tuottaa tai hyötää tritiumia. Tähän tarkoitukseen vaipassa on runsaasti litiumia ja neutronin kohdatessa litiumin, tapahtuu hyötöreaktio, jossa syntyy tritium ytimen lisäksi uusi alfahiukkanen. Kun syntynyt uusi tritium ohjataan takaisin plasmaan, voidaan muodostaa kaikki reaktorin tarvitsema tritium laitoksen sisällä, kuten ohessa olevassa kuvassa on havainnollistettu.

TritiumBreeding540.png

Tritiumhan on lievästi radioaktiivinen materiaali, joten tämä lisää fuusion säteilyturvallisuutta merkittävästi, kun kaikki radioaktiivinen aine saadaan pidettyä suojarakennusten sisällä eikä sitä tarvitse kuljettaa polttoaineen muodossa laitokselle ulkoa. Todellisuudessa siis tällä menetelmällä operoivan fuusiovoimalan polttoainetta ovat deuterium (löytyy merivedestä) ja litium (löytyy maankuoresta, kuten esimerkiksi keskipohjolaisen suon alta: https://yle.fi/a/3-11620720). Koska fuusiossa syntyy suuri määrä neutroneita, ja neutronit törmäilevät materiaalissa luovuttaen osan energiastaan lämmöksi, tarvitsee vaipan olla aktiivisesti jäähdytetty. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää useita eri vaihtoehtoja, mutta yksinkertaisin ajatus on käyttää vettä. Täten neutroni siis törmäillessään vesimolekyylien kanssa luovuttaa osan fuusiossa syntyneestä energiastaan veden lämmöksi. Veden lämmöllä voidaan tuottaa höyryä, joka voidaan johtaa lopulta niihin turbiineihin, jotka pyörittävät sähkögeneraattoreita. Tässä oli se kysyjän kaipaama vastaus, hurraa!

Entäs ne uhat sitten? Neutroni ei varsinaisesti valitse, kenen kanssa törmäilee. Valitettavasti neutronin eteen voi sattua mikä tahansa muu kuin vesimolekyyli. Pahimmassa tapauksessa vimmatusti matkaavan neutronin eteen sattuu eräs suprajohtavista keloista. Tällöin pahimpana skenaariona on, että neutronin aiheuttama aktivaatio materiaalissa johtaa suprajohtavuuden menetykseen, joka puolestaan pikaisesti aiheuttaa plasman hallinnan menetyksen ja sammuttaa fuusiopalon, jolloin reaktori lakkaa toimimasta. Fuusiovoimala tylsästi sammuu - fuusiopalon saavuttaminen ja ylläpitäminen on huomattavasti vaikeampaa kuin sammutus.

Deuteriumilla ja tritiumilla sekä vesijäähdytteisellä hyötövaipalla toimiva fuusioreaktoria voidaan ehkäpä kuvata maailman monimutkaisimmaksi vedenkeittimeksi. Tieteellisempi ilmaisu olisi, että hyötövaipan ulkopuolelta katsoen fuusioreaktori muistuttaa kovasti mitä tahansa muuta polttoon perustuvaa voimalaa, jossa lämmitetään vettä. Lähes kaikki fuusion erikoisuudet, ihanuudet ja vaikeudet ovat hyötövaipassa itsessään, ja sen sisäpuolella. Me suomalaiset tutkijat yhdessä kansainvälisen fuusioyhteisön kanssa teemme joka päivä kaikkemme, jotta erikoisuuksista tulisi normaaleja, ihanuudet saataisiin valjastettua hyödyksemme ja vaikeudet saataisiin ratkottua. Tätä arvokasta työtä rahoitamme osin me kaikki kansalaiset Suomen Akatemian ja EU:n kaltaisten instituutioiden kautta.

 

Akatemiatutkija Antti Snicker työskentelee VTT:ssä. Hänen tutkimuksensa tavoitteena on erityisesti fuusiotuotteiden, eli alfahiukkasen ja neutronien, kuvioiden syvällisempi ymmärtäminen.

 Kuva: Pixabay, Antti Snicker

Viimeksi muokattu 5.2.2024

AKA_FI_vaaka_sininen_RGB.svg

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, jolla esitellään yleistajuisesti tutkimusta ja tutkitun tiedon merkitystä. Suomen Akatemia on tieteen ja tutkimusrahoituksen asiantuntija, joka edistää tutkimuksen asemaa yhteiskunnassa.

Seuraa meitä:
facebook.svg youtube.svglinkedin.svg

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
viestinta@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta
www.aka.fi

SAAVUTETTAVUUS

Kysy tieteestä tietosuojaseloste (pdf)

Tietoja evästeistä