Fuusiosta kestävä ratkaisu energiapulaan

Artikkelit
VTT
Lapsi istuu isänsä olkapäillä ja he nauravat yhdessä auringonlaskun edessä.

Päästötöntä, turvallista ja lähes loputonta fuusioenergiaa pystytään jo tuottamaan. Mutta mitä fuusioreaktion hyödyntäminen isossa mittakaavassa energiantuotannossa vaatii? Tutkimuspanoksia fuusioenergiaan täytyy lisätä, jotta lupaava ratkaisu saadaan suuren mittakaavan kaupalliseen energiatuotantoon.

​Tulevaisuuden uusioenergiaa - fuusioenergiaa - on kehitetty jo 1950-luvulta lähtien. Esimerkiksi Euroopan tunnetuimmassa fuusiolaitteessa JET:issä saatiin tuotettua vuonna 1991 noin megawatin verran fuusioenergiaa kahdessa sekunnissa, mutta energiankulutus oli samalla moninkertainen, 15 megawattia.

Kansainvälisenä yhteistyönä Ranskan Cadaracheen rakennetaan parhaillaan ITER-koefuusioreaktoria (International Thermonuclear Experimental Reactor), joka on kooltaan selvästi isompi reaktori kuin aiemmat koereaktorit. 

- ITER-koereaktorille haetaan suuruusluokkaetua fuusioenergiatuotantoon. Maailmalla on jo itse asiassa kolmisen kymmentä tutkimusreaktoria toiminnassa, mutta nämä ovat pääsääntöisesti hyvin pieniä. Näissä tutkimuksissa on huomattu, että fuusioreaktorin pysyvyys vaatiikin suuremman tehotavoitteen, sanoo VTT:n johtava tutkija Timo Määttä.

Ilmastomuutoksen johdosta hiilidioksidipäästöjä täytyy vähentää voimakkaasti. Eräs keino on fuusioenergian käyttöönotto. Määtän mukaan teollinen fuusioenergia on aurinkoenergian tapaan peräisin fuusioreaktiosta. 

- Perinteinen ydinvoimaenergia perustuu fissioreaktioon, jossa atomeja hajotetaan. Fuusiossa energiaa syntyy yhdistämällä eri atomeja keskenään.

ITER – maailman monimutkaisin kone

​Ranskaan rakentuva ITER on suunniteltu ensimmäiseksi nettoenergiaa tuottavaksi reaktoriksi, jossa 500 megawatin fuusioteho saadaan syntymään 50 megawatin syöttöteholla. Koelaitoksen massiivisia mittasuhteita kuvaa se, että fuusioreaktorin sydän, Tokamak, painaa liki kolmen Eiffel-tornin verran. 

Rakenteilla oleva koelaitos auttaisi Määtän mukaan ratkaisemaan onnistuessaan osaltaan ihmiskunnan tulevaisuutta uhkaavan energiantuotanto-ongelman.

- Fissioreaktio perustuu uraaniin, joka on ehtyvä luonnonvara, mutta fuusiopolttoaineena tarvittavaa raaka-ainetta – deuteriumia – saadaan merivedestä käytännössä loputtomasti.

EU-komission tavoitteena on saada fuusioenergia sähköverkkoihin jo 2050-luvulla. 

- Kiinnostus fuusioenergiaa kohtaan on ymmärrettävää, sillä fuusioenergian tuotannossa ei vapaudu kasvihuonekaasuja, eikä siinä synny vaarallista korkea-aktiivista jätettä kuten perinteisessä fissioydinvoimalassa. Vaikka fuusioreaktiossakin on kyse ydinvoimaprosessista, niin prosessin jälkeen reaktorista poistuva materiaali ei vaadi kymmenien tai jopa satojen tuhansien vuosien varastointia, kuten fissiopuolella, Määttä sanoo. 

Fuusiopuolella säteilyn lasku turvalliselle tasolle tapahtuu 50-100 vuodessa. Fuusiovoima ei myöskään voi aiheuttaa perinteisen ydinvoimalan kaltaisia vaaratilanteita tai ydinonnettomuuksia. 

- Jos jokin menee fuusioreaktorissa pieleen, reaktori yksinkertaisesti pysähtyy, Määttä kuvaa.

Huipputeknologiaa suomalaistutkijoiden voimin

​Koefuusioreaktori ITERin testit ilman fuusiota suunnitellaan aloitettaviksi 2020-luvun lopulla ja reaktori on tarkoitus ottaa käyttöön vuonna 2035.  Reaktori olisi silti tutkimusreaktori, eikä sen tuotantoa johdeta sähköverkkoon. Kaupallisen fuusioenergiatuotannon aloittamiseksi tarvitaan vielä kovasti kehitystyötä. Fuusioreaktorin tekniikka on osoittautunut odotettua vaikeammaksi. 

Määtän mukaan fuusioteknologian skaalautuvuutta ja sitä mukaan fuusioenergian kaupallistamista on haittaamassa myös se, että tutkijoiden on vaikeaa saada rahoitusta tutkimuksilleen hitaan etenemisen ja pitkän aikajänteen takia. Yksi reaktorin haasteista on plasman koossapito ja esimerkiksi se, että löydetään materiaaleja, jotka kestäisivät reaktorissa esiintyviä äärimmäisen korkeita lämpötiloja ja säteilyä. 

- Muun muassa näiden tutkimusten parissa VTT on ollut hyvin aktiivinen, Määttä sanoo.

Suomessa kansainvälisessä fuusiotutkimuksessa on mukana noin 150 tutkijaa eri tutkimuslaitoksissa ja yliopistoissa. Vaikka Suomi on pieni maa, niin suomalaista fuusioenergia-alan osaamista arvostetaan alan piireissä. 

- Olemme Suomessa keskittyneet muun muassa plasman hallinnan, materiaalien sopivuuden, vaativien teräsrakenteiden ja huollon etäohjaustekniikan kehittämiseen. Tätä osaamista Suomi hyödyntää sekä itse fuusioreaktorin toimitusprojekteissa että muissa ydinenergia-alan ja muiden teollisuusalojen hankkeissa, Määttä kertoo.

Määtän mukaan ITER-koelaitoksessa robottiteknologia on välttämätöntä, sillä se mahdollistaa muun muassa koereaktorin toiminnan kannalta välttämättömien huolto-, tarkastus- ja korjaustoimien tekemisen haastavissa olosuhteissa. Vaikka fuusioreaktori on sammutettu huollon aikana, reaktorin ytimessä sijaitsevien kasettien lähellä on sata-asteinen kuumuus ja niin korkea säteily, että ihminen ei voi mennä tekemään huoltotoimenpiteitä reaktorin sisälle. 

VTT on yhdessä Tampereen yliopiston (entinen Tampereen teknillinen yliopisto) kanssa onnistunut kehittämään uutta teknologiaa, jonka avulla ITERin epäpuhtauksia keräävien niin sanottujen diverttorikasettien vaihto onnistuu etäohjatusti vaunuilla, jotka liikkuvat hammasratas-systeemillä ja toimilaitteet toimivat sähköisesti ja vesihydrauliikalla. 

- Näiden yhdeksän tonnia painavien diverttorikasettien vaihto on jo onnistuneesti testattu VTT:n tutkimustiloissa Tampereella. 'Divertor Test Platform 2' eli DTP2-tutkimusympäristössä on täysmittakaavainen malli fuusioreaktorin pohjaosasta. Itse testialusta on noin 20 metriä pitkä ja painaa noin 65 tonnia. Diverttorien vaihdon kehittämisen lisäksi VTT:llä kehitetään myös etäoperoitavaa yli sadan kaapelin ja yli 200 pinnin liitintä diagnostiikkajärjestelmään. Sen luotettavuus on myös erittäin tärkeä laitoksen toimivuuden ja tutkimuksen kannalta.

Kisa kansainvälisessä fuusiotutkimuksessa kiihtyy

​ITER-hankkeessa ovat mukana kaikki poliittisesti merkittävät maat: Kiina, Eurooppa, Intia, Japani, Venäjä, Etelä-Korea ja Yhdysvallat. Vuonna 2018 Kiina teki päätöksen, että maa lähtee kehittämään ITERiä seuraavan sukupolven reaktorin ja satsaa siihen huomattavat resurssit. 

- Kiina hakee oppia ITERistä ja yrittää tuottaa jopa nopeammin niin sanotun teollisen seuraavan sukupolven fuusioreaktorin maallensa. Kiinassa fuusioenergian tarve on melkeinpä kaikkein suurin, sillä maan hiilivoimalaitokset tulevat tiensä päähän noin 30 vuoden päästä ja energiankulutus jatkuvasti nousee, kun maan elintaso kasvaa.

Määtän mukaan Euroopassa jatkumona ITERille ensimmäisen sähköä tuottavan fuusioreaktorin, DEMOn, uskotaan valmistuvan 2050-luvulla, jos tutkimukset etenevät suunniteltua vauhtia. 

Määtän mukaan tätä ennen fuusioreaktoreiden tekniikkaa tulee kuitenkin kehittää paljon yksinkertaisemmaksi kuin mitä se ITERin käytössä olevassa Tokamak-reaktorissa tällä hetkellä on. 

Määtän mukaan nyt pitäisi saada varsinkin suomalainen teollisuus aktiivisemmin mukaan fuusioenergiateknologian kehittämiseen. Riskinä on jäädä pois korkean tason tekniikan kehitysvirrasta ja sen tuomasta osaamiskehityksestä. Suomessa trendinä on myös julkisten tutkimusvarojen hupeneminen fuusio- ja muussa Big Science –tutkimuksessa. 

- Suomen teollisuus pitäisi saada innostumaan aiheesta hanakammin. Toisaalta esimerkiksi Business Finland ei enää satsaa fuusiotutkimukseen aiempaan tapaan. Fuusioalan tutkijoiden ja asiantuntijoiden määrä uhkaa vähentyä Suomessa ja niiden siirtyminen muihin maihin tai muihin tehtäviin, ellei tilanteeseen puututa.

Fuusiolla on kuitenkin paljon potentiaalia sekä lähiajan että pitkän ajan hyödyntämisessä eri sovelluksissa.  

-  Koska fuusioreaktion energiataso ja lämpöteho ovat niin suuret, fuusiota voisi hyödyntää sähköntuotannon ohella esimerkiksi tulevaisuuden kaukolämpötuotannossa. Kaukolämmöllä voidaan lämmittää esimerkiksi asuntoja ja niiden käyttövettä sekä toimittaa lämpöenergiaa ja jopa höyryä teollisuuden käyttöön, Määttä sanoo.

VTT:n johtava tutkija Timo Määttä.
Jaa