Onko fuusiovoima vastaus?
Eräs atomitiedemies erittelee rehellisesti niitä vaikeuksia, jotka täytyy selvittää, ennen kuin fuusiovoimaa voidaan käyttää energiatarpeitten tyydyttämiseen
FUUSION (yhtymisprosessin) hallinta tarjoaa epäilemättä kiehtovan haasteen. Jos me voisimme toteuttaa edes yhden erilaisista fuusioreaktioista, sanokaamme sen, jossa on mukana kaksi deuteriumatomia (numero 4 sivulla 20 olevassa taulukossa), me voisimme käyttää hyväksi rajatonta polttoainelähdettä. Yksi jokaisesta 3000 vesimolekyylistä koko maailmassa suuret valtameret mukaan luettuina sisältää deuteriumatomin. Ajattelehan sitä! Puolesta litrasta vettä voitaisiin saada energiaa 400 kilowattituntia eli kuukaudeksi sähköä kotitalouteen. Ja me pääsisimme eroon nykyisistä ydinvoimaloista peräisin olevien radioaktiivisten fissiotuotteiden kasvavista kasoista. Eikö tämä olisi lupaava ratkaisu energiaongelmaan?
Laite, jota sanotaan hiukkaskiihdyttimeksi, on käytännöllinen tällaisten reaktioiden tutkimuksessa, mutta ei käyttökelpoisessa muodossa olevan energian tuottamisessa. Tarvitaan paljon energiaa miljoonien hiukkasten saamiseksi liikkeelle reaktioon riittävällä nopeudella, mutta vain harvat niistä törmäävät toisiin atomeihin ja vapauttavat energiaa; kaikki muut luovuttavat energiaansa pieninä erinä ja menevät hukkaan. Kokeessa kuluu paljon enemmän energiaa kuin sitä voidaan saada siitä takaisin.
Auringon paremmuus perustuu siihen, että sen sisus on niin kuuma, että hiukkaset säilyttävät suuren nopeutensa törmäyksestä toiseen, kunnes ne lopulta osallistuvat reaktioon. Voidaan siis nähdä, miksi maan päällä on hyvin vaikeaa aikaansaada käyttökelpoista fuusiota. Meidän täytyy ottaa jollakin tavalla hieman mallia auringon sisikunnasta. Mutta miten vetylatausta voidaan kuumentaa miljoonia asteita ja pitää koossa fuusioon asti? Mikään tunnettu materiaali ei pystyisi pidättämään sitä. Korkeita lämpötiloja parhaiten kestävät aineet sulavat ja höyrystyvät muutamassa tuhannessa asteessa.
Tosin tiedemiehet ovat antaneet näytteitä fuusion voimasta maan päällä, mutta vain pelottavan vetypommin räjäytyksessä. Kaikki pommissa ja sen ympärillä oleva tietenkin höyrystyy ja räjähtää taivaan tuuliin erittäin pienessä sekunnin murto-osassa. Kuinka tällainen hurja hirviö voitaisiin mitenkään kesyttää ja sen voima valjastaa?
Fuusio magneettisessa koossapidossa
Niin mahdottomalta kuin se tuntuukin, on olemassa keino, jolla tämä kaikesta päättäen ylipääsemätön ongelma voidaan voittaa. Käytetään magneettista lämmöneristystä. Se tapahtuu seuraavasti. Vety kuumennetaan sähköpurkauksella niin korkeaan lämpötilaan, että se muuttuu kokonaan ionihiukkasiksi. Tällöin se koostuu vain positiivisista ytimistä ja negatiivisista elektroneista. Tällaista aineen olomuotoa sanotaan plasmaksi. Jos plasma ympäröidään voimakkaalla magneettikentällä, varautuneet hiukkaset eli ionit eivät voi poistua suoraviivaisesti, vaan ne pakotetaan pitäville korkkiruuvia muistuttaville radoille. Jos magneettikenttä on muotoiltu oikein, nämä spiraaliradat kääntyvät takaisin astian kummassakin päässä, jolloin astiasta tulee ”magneettinen pullo”.
Toisenlaisessa mallissa radat taivutetaan ympyräksi rinkelin (torus) muotoisessa kentässä. Tällaisissa laitteissa protonit ja elektronit eivät pääse kosketuksiin metalliastian seinämien kanssa, ja niitä voidaan kuumentaa miljoonia asteita astian pysyessä samalla viileänä. Onnistunein tämäntyyppinen laite nimitettiin tokamakiksi sen keksineiden venäläisten tiedemiesten mukaan.
Riippumatta siitä, miten magneettikenttä kahlehtii plasman, sen täytyy täyttää kolme ehtoa fuusion käynnistymiseksi ja jatkumiseksi. Nämä ehdot ovat lämpötila, tiheys ja aika.
Ensiksi plasma täytyy kuumentaa syttymislämpötilaan. Deuterium- ja tritiumatomien reaktio syttyy alhaisimmassa lämpötilassa, noin 46 miljoonassa asteessa. Plasma voidaan kuumentaa siihen indusoidulla sähkövirralla tai suurenergisten atomien suihkulla. Mutta takaisin kimpoavissa törmäyksissä syntyvä energianhukka on aina haittaamassa fuusioreaktiota. Tällöin syntyy röntgensäteitä, jotka nopeasti karkaavat magneettikentän läpi vieden samalla lämpöä pois plasmasta. Plasman täytyy olla niin kuuma, että fuusiossa syntyvä energia voittaa tällaisen hukan saavuttaakseen itsensä ylläpitävään reaktioon johtavan kynnyksen.
Toiseksi plasma täytyy puristaa kokoon hiukkasten ahtamiseksi hyvin tiheään, niin että niitä on 100 biljoonaa tai enemmän kuutiosentissä. Ja lopuksi näiden olotilojen täytyy säilyä niin kauan, että ehtii tapahtua vähimmäismäärä yhteentörmäyksiä. Sekunteina mitattavan ajan ja tiheyden tulon täytyy olla vähintään 60 biljoonaa. Tätä lukuarvoa sanotaan matematiikassa koossapitoparametriksi. Se kertoo meille, että jos huipputiheys voidaan säilyttää esimerkiksi sekunnin kymmenesosan ajan, tuon tiheyden täytyy olla vähintään 600 biljoonaa, jotta deuteriumin ja tritiumin välille syntyisi itsensä ylläpitävä fuusio.
Plasma voidaan puristaa kokoon voimistamalla nopeasti magneettikenttää. Kun plasma näin tihenee, se samalla kuumenee. Jos magneettikenttä on oikein suunniteltu ja se pystyy pitämään plasmaa koossa riittävän kauan, seurauksena on fuusio. Valitettavasti se on osoittautunut hyvin vaikeaksi. Plasma on raivostuttavan herkästi karkaavaa ainetta. Se etsii heikon kohdan magneettikentässä, tunkeutuu siihen ja tekee taskun, jonka kautta se nopeasti häviää tiehensä. Se käyttäytyy kuin ilman ulkorenkaan tarjoamaa tukea oleva sisärengas, joka on pumpattu liian kovaksi.
Monia vuosia ja miljoonia markkoja on kulutettu turhauttavissa yrityksissä epävakaisuuksien voittamiseksi. Vasta kahden viime vuoden aikana ovat eräät kokeet antaneet toivoa siitä, että oikukkaan plasman kesyttämiseksi nähty tavaton vaivannäkö voi lopulta kantaa hedelmää. Massachusettsin teknisen korkeakoulun ”Alcator”-tokamakilla saavutettiin lukuarvoltaan 30 biljoonaa oleva koossapitoparametri. Mutta lämpötila oli kovin alhainen, vain noin 10 miljoonaa astetta. Eräässä myöhemmässä Princetonin yliopistossa tehdyssä kokeessa sen Large Torus -tokamak saavutti ensi kerran 75 miljoonan asteen lämpötilan, joka riittää deuteriumin ja tritiumin reaktion käynnistämiseen. Mutta tällöin koossapitoparametri jäi alle yhden biljoonan. Siksi fuusioliekki jälleen lepatti ja sammui ennen kuin se oli oikeastaan syttynytkään.
Se, että on päästy näin lähelle kynnystilannetta, jossa fuusiolaitteeseen syötetty energia on yhtä suuri kuin fuusioreaktiossa vapautuva energia, on herättänyt toiveita siitä, että fuusio onnistuu uuden sukupolven tokamakeilla, jotka ovat suurempia ja kalliimpia. Kahden tai kolmen seuraavan vuoden kuluessa valmistuu Princetoniin Yhdysvalloissa ja Culhamiin Englannissa uusi tokamak. Kumpikin tulee maksamaan noin 1,2 miljardia markkaa. Jos hallittu fuusio onnistuu näillä laitteilla, niin ydinfyysikot ovat valmiita kohtaamaan muita esteitä, joita on jäljellä kaupalliseen fuusioreaktoriin johtavalla tiellä.
Yksi edessäpäin häämöttävistä ongelmista on se, että plasmaan kasaantuu epäpuhtauksia, jotka tekevät sen myrkylliseksi. Edellä mainittu röntgensäteiden aiheuttama hukka tulee yhä suuremmaksi sitä mukaa kuin atomin järjestysluku kasvaa. Jopa kaasumainen alkuaine helium aiheuttaa kahdeksankertaisen hukan vetyyn verrattuna. Happi on 500 kertaa pahempaa. Se merkitsee sitä, että plasma täytyy pitää tavattoman puhtaana käyttökelpoisen fuusioenergian tuottamiseksi.
Jos kaikki tällaiset ongelmat voidaan ratkaista, niin millaiselta fuusiovoimala mahtaisi näyttää? Wisconsinin yliopistossa laaditut piirustukset, jotka perustuvat optimistisimpiin toistaiseksi käytettävissä oleviin tietoihin, antavat meille jonkinlaisen kuvan. Torus eli rinkelin muotoinen astia olisi 27 metriä korkea ja läpimitaltaan 44 metriä. Se rakennettaisiin kahdestatoista piirakanviipaleen muotoisesta lohkosta, joista kukin painaa 3200 tonnia. Se sijoitettaisiin rakennukseen, joka olisi 102 metriä korkea ja läpimitaltaan 120 metriä. Nämä valtavat lohkot olisi tehtävä ankarimmat suurtyhjövaatimukset täyttäviksi. Niitä ympäröivät jättimäiset magneetit jäähdytettäisiin nesteytetyllä heliumilla neljän asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä (-273°).
Kun voimala on toiminnassa ja sen deuterium- ja tritiumlataus kiertää toruksessa fuusiolämpötilassa, se kehittää 1400 megawattia. Mutta joka puolentoista tunnin kuluttua koko tämä valtava laitos täytyy kytkeä pois toiminnasta, jotta voidaan pumpata epäpuhtaudet pois ja korvata entinen polttoaine uudella. Sähköverkostoon täytyy syöttää vaihtoehtoista energiaa kuusi minuuttia näiden reaktorinsammutusjaksojen aikana, joita olisi vuorokaudessa 15. Ei ihme, että sähköyhtiöiden johtajat eivät ole innokkaita ottamaan vastuulleen näin oikullista jättiläistä!
Laserfuusio – vitkamenetelmä
Toinen mahdollinen keino fuusion hallintaan saamiseksi kehitettiin salassa ja julkaistiin jonkin aikaa sitten. Sitä sanotaan vitkamenetelmäksi. Tällaisessa laitteessa useita lasersäteitä kohdistetaan symmetrisesti joka puolelta samaan pisteeseen. Mikroskooppisen pieni deuteriumin ja tritiumin seosta sisältävä lasipallo pudotetaan säteiden leikkauspisteen läpi. Sen ollessa täsmälleen kohdalla lasersäteet syttyvät. Ne kaikki osuvat palloon yhtaikaa ja kuumentavat sitä miljoonien kilowattien energialla sekunnin miljardisosan murto-osan ajan. Äkillinen kuumuus höyrystää pallon, ja kun lasikuori räjähtää, se työntää kaasua tiiviimmin kohti keskustaa. Tämä saa polttoaineen heti kuumenemaan noin 10 miljoonaan asteeseen ja puristaa kaasun kokoon noin 200 kertaa normaalia tiheämmäksi. Vaikka tämä lämpötila on huomattavasti syttymislämpötilaa alhaisempi, se riittää jonkinlaisen fuusion aiheuttamiseen. Eräissä kokeissa on saatu aikaan jopa 10 miljoonaa neutronia. Massa hajoaa melkein heti, koska mikään ei pidä sitä koossa. Fuusio jatkuu vain niin kauan kuin massan inertia eli vitka pitää vetyatomit koossa; se lakkaa heti kun voimakas paine hajottaa massan.
Tämä menetelmä on eräillä tavoin magneettista koossapitoa lupaavampi ensikehittelyä silmällä pitäen. Mutta tähänastinen menestys ei ole muuta kuin osoitus siitä, että idea on tieteellisesti järkevä. Lasersäde vaatii tuhansia kertoja enemmän energiaa kuin sitä syntyy kokeissa. Voimakkaammilla lasereilla voidaan saavuttaa korkeampi lämpötila, ja fuusiosta tulee tehokkaampi. Tarvitaan lasereita, jotka ovat 10–100 kertaa nykyisiä parhaita lasereita voimakkaampia, jotta päästäisiin siihen, että energiaa voidaan tuottaa yhtä paljon kuin ne tarvitsevat sitä toimiakseen.
Mutta tällaisesta käytetyn ja aikaansaadun energian tasapainotilasta on vielä pitkä matka siihen, että tämäntyyppinen energiantuotto saadaan taloudellisesti kannattavaksi. Vaikka voitaisiinkin rakentaa tarpeeksi voimakkaita lasereita, yhdestä pallosesta voidaan saada vain vähän energiaa. Käyttökelpoisen energian aikaansaaminen vaatisi laserin sytyttämistä satoja tai tuhansia kertoja minuutissa, samalla kun pallosia putoaa yhtä usein kohdistuspisteen läpi. Täytyy tehdä paljon työtä lasergeneraattorien käyttöiän pidentämiseksi ja mikroskooppisen pienten pallojen valmistamiseksi miljoonittain kohtuulliseen hintaan.
Fuusio: onko se puhdasta vai ei?
Radioaktiivinen saastuminen on molempien fuusiomenetelmien haittana. Tästä ei päästä mihinkään, vaikka joskus on väitetty, että fuusioenergia tulee olemaan vapaa tästä fissioenergian kirouksesta. Joissakin fuusioreaktioissa (numerot 4 ja 5) käytetään tritiumia, vedyn radioaktiivista isotooppia. Nämä reaktiot tuottavat myös neutroneja, jotka karkaavat ympäröiviin materiaaleihin tehden ne radioaktiivisiksi. Kun katsomme fuusioreaktioiden taulukkoa, näemme, että auringossa tapahtuvat reaktiot ovat ”puhtaita”. Niihin ei liity radioaktiivisuutta. Mutta ainoa muu reaktio, josta tämä pitää paikkansa, on deuteriumin ja helium-3:n reaktio (numero 6). Valitettavasti nämä puhtaat reaktiot vaativat kaikki erittäin korkean syttymislämpötilan.
Koska deuteriumin ja tritiumin reaktiolla (numero 5) on alhaisin syttymislämpötila, se on ainoa nykytutkimuksissa käytettävä reaktio, ja sitä tullaan käyttämään ensimmäisissä fuusiovoimaloissa. Tämä reaktio tuottaa runsaasti neutroneja, paljon enemmän energiayksikköä kohti kuin uraaniatomin halkeaminen eli fissio. Ne tekevät kaiken reaktorissa ja sen ympärillä olevan erittäin radioaktiiviseksi. Siksi on vaarallista käsitellä tai poistaa reaktorin osia, kun ne kaipaavat korjausta tai uusimista.
Aktivoitumisen lisäksi reaktoria ympäröivä metallinen suojakuori saa vaurioita, koska neutronit iskevät siinä olevia atomeja pois paikaltaan. Se heikentää tätä ainetta niin, että esimerkiksi magneettireaktorin rinkelinmuotoiset osat eivät luultavasti kestä 2–5 vuotta kauempaa. Näiden jättimäisten radioaktiivisten rakenteiden, jotka ovat 3200 tonnin painoisia ja yhdeksänkerroksisen talon korkuisia, siirtäminen pois voimalasta ja niiden hävittäminen asettaa kauhistuttavan haasteen. Fuusiovoimalasta peräisin olevat jätteet voivat viedä suuremman tilan kuin nykyisten ydinvoimaloiden jätteet.
Usein jää huomaamatta myös se, että tritium itse on radioaktiivista. Tritiumia on pieniä määriä ilmakehässä, ja sitä syntyy kosmisen säteilyn aiheuttamissa reaktioissa. Curieyksikköinä mitattavan radioaktiivisuutensa puolesta tritium ei ole läheskään niin vaarallista kuin esimerkiksi jodin ja strontiumin kaltaiset fissiotuotteet, mutta fuusiovoimalaa varten tarvittavan tritiumvaraston radioaktiivisuus olisi satoja miljoonia curieyksikköjä. Jonkinlainen vuoto on väistämätöntä; normaalisti se voitaisiin pitää vain 10 curiena vuorokaudessa. Mutta onnettomuudesta johtuva päästä – onhan ilmaan sekoittunut vety räjähtävää ainetta – yhtyisi nopeasti vedeksi ja leviäisi peruuttamattomasti kaikkialle maailmaan. Vaikka tritiumia häviäisi vain yhdestä voimalasta, se voisi lisätä sen pitoisuutta ilmakehässä maailmanlaajuisesti tuhat prosenttia.
Aika ajoin Yhdysvalloista kuullaan optimistisia uutisia jostakin uudesta läpimurrosta fuusioenergiaan johtavalla tiellä. Tavallisesti ne vain näyttävät sattuvan joka vuosi suunnilleen samaan aikaan, kun kongressilta pyydetään lisää rahaa tutkimustyön laajentamiseksi. Mutta kylmä totuus on, että taloudellinen fuusioenergia on vielä kaukana tulevaisuudessa, vaikka kaikki nykyään tunnetut vaikeudet voitaisiinkin ratkaista. Edward Teller on sanonut, että käyttökelpoista laserfuusioenergiaa voidaan joutua odottamaan vielä kaksi sukupolvea.
Rajattomasti energiaa fuusiovoimasta
Jos rakennettaisiin ajatuksissa ihanteellinen fuusiovoimala, se olisi todellisuudessa seuraavanlainen: Otetaan ensin niin paljon vetyä, että painovoima pitää sen koossa; se ratkaisee kaikki koossapito-ongelmat. Painovoima puristaisi tätä vetypalloa niin paljon kokoon, että sen lämpötilan ja tiheyden kasvaminen käynnistäisi fuusioreaktion. Koska painovoiman ja sisäisen paineen välinen tasapaino säätelisi automaattisesti reaktionopeutta, se ei palaisi liian hitaasti eikä riistäytyisi valloilleen.
Sen sijaan että me rakentaisimme taidokkaita suojakuoria säteilyn pitämiseksi niiden sisäpuolella, me vähentäisimme sen turvalliselle tasolle yksinkertaisesti sijoittamalla tämän ydinreaktorin siedettävän kauaksi, sanokaamme 150 miljoonan kilometrin päähän. Sen sijaan että me rakentaisimme voimalinjoja tuomaan tätä energiaa itsellemme, me voisimme toimittaa sen perille säteilyenergian, lämmön ja valon muodossa. Ja lopuksi suojellaksemme itseämme reaktorista peräisin olevia harhailevia protoneja tai neutroneja vastaan meidän täytyy vain kietoa ympärillemme heikko magneettikenttä, joka muuttaa noiden hiukkasten suunnan, ja ilmakerros, joka imee ne itseensä.
Lukija tietenkin käsittää, että Luojamme on antanut meille juuri tällaisen fuusioreaktorin, auringon. Miten kiitollisia meidän pitäisikään olla siitä, että kaiken energian viisas Tekijä ja Lähde on antanut kaikille maapallon asukkaille pettämättömän ja rajattoman energianlähteen. Ja me voimme vapaasti ammentaa siitä. Meitä ei laskuteta sen käytöstä.
[Huomioteksti s. 21]
”Kylmä totuus on, että taloudellinen fuusioenergia on vielä kaukana tulevaisuudessa, vaikka kaikki nykyään tunnetut vaikeudet voitaisiinkin ratkaista.”