vaihtoehtoiset energiamuodot

ITER

Tie kohti fuusiota on jo tähän mennessä ollut pitkä ja tavoite on siirtynyt koko ajan tulevaisuuteen. Klassisen sanonnan mukaan fuusiovoima on 30 vuoden päässä tulevaisuudessa, mutta aika, mistä kolme vuosikymmentä lasketaan alkavaksi, on siirtynyt koko ajan eteenpäin.

Monien pienikokoisten koelaitosten jälkeen ensimmäinen kunnollisen kokoinen fuusiovoimala on parhaillaan rakenteilla eteläisessä Ranskassa, Cadarachessa. Kansainvälinen ITER-koelaitos (International Thermonuclear Experimental Reactor, http://www.iter.org) on tarkoitus saada toimintaan 2020-luvun puoliväliin mennessä ja sen jälkeen sitä on aikomus käyttää parinkymmenen vuoden ajan.

Laskelmien mukaan se olisi ensimmäinen tarpeeksi suuri fuusiovoimala, missä reaktio voisi jatkua pitkään ja tuottaa oikeasti energiaa kuten voimalaitoksen tulisi tuottaa.

Laitoksen ydin on donitsin muotoinen säiliö, tokamak, jonka sisällä deuterium ja tritium ovat kuumana plasmana voimakkaiden magneettikenttien kahlitsemana. Rinkulan halkaisija on kuusi metriä ja sen suprajohtavilla magneeteilla synnytetyn magneettikentän voimakkuus viisi Teslaa (tämä on todella paljon). Lämpötila, missä fuusioreaktio deuteriumia ja tritiumia käytettäessä käynnistyy, on 100 miljoonaa astetta. Tuloksena toivotaan olevan 500 megawattia ylimääräistä energiaa.

Kokonaisuudessaan ITER-laitteisto olisi 60 metriä korkea ja sen massa olisi 23000 tonnia. Sähkö tuotettaisiin sitten vieressä olevilla perinteisillä generaattoreilla, joita pyörittää fuusiovoiman kuumentama vesi.

Hohtavaa plasmaa tokamakin sisältä kuvattuna.

Pallosalama purkkiin

Johtoajatuksena ITERin rakentamisessa on ollut se, että suurentamalla laitoksen kokoa saadaan fuusio kunnolla toimimaan, mutta samalla pieni joukko tutkijoita on pohtinut juuri päinvastaista: entä jos laitteisto yksinkertaistettaisiin ja tehtäisiin paljon pienemmäksi?

Eräs ensimmäisistä oli Kalifornian yliopiston fyysikko Norman Rostoker, joka perusti vuonna 1998 yhtiön nimeltä Tri Alpha. Hänen ideanaan oli käyttää vedyn isotooppien sijaan polttoaineena booria ja protoneita. Boori-11 on kuitenkin hankala aine siksi, että reaktio olisi hyvin kuuma (noin miljardi astetta) ja tuo lämpötila pitäisi myös pystyä synnyttämään, jotta reaktio lähtisi alkuun. Lisäksi reaktio tuottaa vain puolet vetyreaktion tuottamasta energiasta. Hyvä puoli olisi kuitenkin se, että reaktion oheistuotteena ei olisi juurikaan neutroneita ja sähkövirtaa olisi mahdollista kehittää magnettikenttien avulla jopa 90% hyötysuhteella. Klassisen fuusioreaktorin (jos niin voi sanoa) hyötysuhde olisi vain noin 40%.

Miljardin asteen lämpötilaa ei voida pitää yllä pienessä tokamakissa, koska vaadittava magneettikentän voimakkuus olisi täysin mahdottomuus. Siksi Tri Alphassa kehitettiin boxer-moottoria muistuttava systeemi, missä kaksi vastakkain toisiaan olevaa plasmatykkiä ampuu keskellä olevaan kammioon eräänlaisia plasmarinkuloita, plasmoideja.

Sopivasti rengasmaiset plasmarinkulat kehittävät itse ympärilleen magneettikentän, joka pitää ne kasassa. Pallosalamien oletetaan olevan luonnollisia plasmoideja, eli salamaniskussa syntyneitä kuuman, sähköisesti varautuneen kaasun renkaita, joita niiden itsensä synnyttämä magneettikenttä pitää hengissä.

Kun plasmoidit osuvat toisiinsa keskellä olevan kammion sydämessä, ne synnyttävät boori-11 kaasun kanssa fuusioituvan plasmakuplan, jota pidetään paikallaan kammion keskellä magneettikentällä. Reaktio jatkuu niin kauan polttoainetta syötetään laitteeseen ja plasmoideja ammutaan.

Syntyvät alfahiukkaset ohjattaisiin takaisin plasmoiditykkeihin, ja niissä ne saadaan muutettua sähkövirraksi prosessilla, jota yhtiö luonnehtii ”väärinpäin kytketyksi hiukkaskiihdyttimeksi”.

Tri Alpha ei ole kertonut toiminnastaan juurikaan julkisuuteen, mutta se on tehnyt kokeita noin 10 metriä pitkällä laitteella, jota se kutsuu nimellä C-2. Laite pystyy ampumaan plasmoideja toisiinsa ja pitämään yllä raktiota jopa viiden millisekunnin ajan. Tämä on kunnioitettava saavutus, vaikkakin boorin sijaan kokeissa on toistaiseksi käytetty deuteriumia ja sähkövirran tuottaminen liki suoraan alfahiukkasista ei ole onnistunut.

Toinen pientä fuusioreaktoria suunnitteleva yhtiö on Helion Energy (http://www.helionenergy.com). Washingtonissa, Yhdysvalloissa, toimiva yhtiö kehittää myös plasmoideihin perustuvaa laitteistoa, joka on ”kuin diesel-moottori” yhtiön omien sanojen mukaan: plasmatykit syöttävät plasmoidipareja reaktiokammioon, missä magneettikenttä puristaa ne kasaan ja saa aikaan fuusioreaktion. Se saa aikaan puolestaan uudet kaksi plasmoidia, jotka puolestaan fuusioituvat ja saavat aikaan seuraavien syntymisen. Kun laite tuottaa näitä noin sekunnin kestäviä fuusiosykähdyksiä jatkuvalla syötöllä, se tuottaa tasaisesti energiaa.

Toistaiseksi Helion Energy on käyttänyt polttoaineinaan deuteriumia ja saanut aikaan reaktion kolmen minuutin välein. Yhtiö etsii Tri Alphan tapaan lisää rahoitusta suuremman koelaitteen tekemiseen ja olettaa, että viiden vuoden päästä laite voisi tuottaa energiaa enemmän kuin se kuluttaa – nyt siis ollaan vielä kaukana toimivasta reaktorista.

Kolmas kiinnostava uuden ajan ydinenergiayhtiö tulee Kanadasta. General Fusion (http://www.generalfusion.com) on hahmotellut aivan toisenlaisen fuusioreaktorin: siinä deuteriumia ja tritiumia sisältävät plasmoidit syötetään vinhasti pyörivän, pyöreän palokammion sisällä olevan sulan lyijymassan keskelle, jolloin puristamalla lyijyä nopeasti ja voimakkaasti kasaan lukuisilla pallon ulkopuolella olevilla männillä saadaan fuusioreaktio syttymään.

Yhtiö tutkii plasman kompressointia kahdella eri tavalla. Toinen on 14-mäntäinen koelaitteisto ja toinen on kokonaan erillinen koesarja, jossa plasmaa puristetaan kokoon pelkästään räjähdysaineilla. Männät saadaan liikkumaan nopeasti sylinteriensä sisällä joko paineilmalla tai höyryllä. Varsinaisessa, lopullisessa reaktorissa on tarkoitus käyttää höyryä.

Onko Lockheed onnistunut?

Lockheed Martinin esittelemä voimalaitos on kooltaan vain kolmisen metriä ja se tuottaisi 100 megawattia energiaa. Selvästikin sen käyttökohteina ovat laivat, lentokoneet ja monet muut puolustuksellisestikin kiinnostavat kohteet, mutta samalla luonnollisesti kaikki muutkin hyötyisivät laitteen ketteryydestä ja helppokäyttöisyydestä. Kuvissa – kuten otsikkokuvassamme – on yhtiön koelaitos nimeltä T-4, mutta tuotantoversio olisi noin 10 metriä pitkä laite. Verrattuna sen tuottamaan tehoon ja toiminta-aikaan, olisi se hurjan pieni ja kompakti.

Jos todellakin kerrostalon kellariin tai kuorma-auton konttiin saisi tällaisen fuusiovoimalan, menisi maailman energiantuotannon lisäksi maailmanpolitiikka uusiksi, kun kaasusta tai öljystä ei olisi kiistakapulaksi.

Laitteen periaatteesta ei kuitenkaan ole kerrottu muuta kuin sen, että se käyttää fuusiota ja että reaktiossa on ”korkea beta”. Tämä tarkoittaa sitä, että se tuottaa suuren plasman paineen suhteellisen pienellä magneettikentän aiheuttamalla paineella.

Rahoitus laitteen kehittämiseen on nähtävästi tullut Yhdysvaltain puolustushallinnolta ja työtä on tehty kuuluisassa Skunk Works -ideaverstaalla Kaliforniassa. Ennen kaikkea lentokoneistaan tunnetusta salaisten projektien pajasta ovat kotoisin monet Yhdysvaltain ilmavoimien erikoiskoneet, kuten U-2, SR-71 Blackbird, F-117 Nighthawk ja F-22 Raptor.

On hyvinkin mahdollista, että jokin lentämiseen liittyvä hanke on ollut reaktorin kehittämisen päätavoite. Tällainen voisi olla esimerkiksi lentokoneeseen (tai laivaan) sijoitettava laserase, sillä niiden käyttöön saamisen suurin ongelma on ollut riittävä virransaanti tarpeeksi pienestä ja kevyestä energianlähteestä.

Se, että hankkeen takana on Skunk Works tarkoittaa salaisuuden lisäksi myös sitä, että puheiden pohjalla todennäköisesti on jotain todellistakin. Heillä on ollut tapana tuottaa aina jotain toimivaa. Lockheed Martin kertoo laitteiston kehittämisen vievän vielä kymmenisen vuotta, ja voi myös ajatella, että viime viikon julkistuksen takana on tarve saada projektille rahoitusta.

Saatavilla olevien tietojen perusteella ei voi sanoa toimiiko uusi ihmereaktori, mutta varmaa on se, että paine hajautetun, puhtaan ja edullisen energiantuotannon suuntaan on erittäin suuri. Nykyiset suuret voimalaitokset tulevat käymään harvinaisiksi ja niihin investoimisen sijaan kannattaisi maailman (ja samalla Suomen) energianhuoltoa pohtia uudesta näkökulmasta.

Ja voi myös olla, että myös ITER tulee jäämään keskeneräiseksi hankkeeksi – onhan sekin eräänlainen dinosaurus.

-
Juttua on päivitetty 22. lokakuuta: ensimmäisen kuvan virheellistä kuvatekstiä ensimmäisestä hallitusta fuusioreaktiosta on muutettu, General Fusionin koelaitteista kertovaa tekstiä on tarkennettu ja mm. tieto Lockheed Martinin patenttihakemuksista on lisätty. Kiitos Helsingin yliopiston Tomas Lindénille!

Kuvat: Lockheed Martin; LLNL ja ITER.

Lisätietoja Lockheed Martinin hankkeesta: http://www.lockheedmartin.com/us/products/compact-fusion.html ja http://www.fusenet.eu/node/400

General Fusion -yhtiön esittelyvideo:

Päinvastoin kuin ajatellaan, tuottavat aurinkopaneelit sähköä myös talven pilvisinä päivinä. Niiden tuottama virta on luonnollisesti pienempi kuin aurinkoisina kesäpäivinä, jolloin pollukka paistaa suoraan korkealta taivaalta paneeleihin.

Suurin ongelma aurinkosähkössä on kuitenkin sen keskittyminen päiväsaikaan. Onneksi kuitenkin kulutus on päivällä myös yötä suurempi, joten parhaimmillaan esimerkiksi toimistorakennusten tarvitsema sähkö saadaan pihalla olevista paneeleista juuri silloin kun sitä eniten kaivataan. Aurinkopaneelit kaipaavat kuitenkin rinnalleen sähkön varastointia sekä varavoimaa.

Uusiutuvat energiamuodot ovat etenkin Saksassa nyt suosiossa, koska maa koittaa irrottautua ydinenergiasta. Siksi siellä on rakennettu runsaasti tuuli- ja aurinkovoimaa, ja näihin on pumpattu paljon tukirahaa. Esimerkiksi pelkästään aurinkopaneelien asennukseen annettiin tukea viime vuonna 16 miljardia euroa ja kapasiteetti on lisääntynyt voimakkaasti.

Tuulivoima on uusiutuvien energiamuotojen selkäranka niin Saksassa kuin muuallakin. Suurimmat Euroopassa olevat tuulivoimapuistot (630 MW London Array ja 504 MW Greater Gabbard Iso-Britanniassa) ovat teholtaan suurten voimalaitosten luokkaa ja maailman suurin avomerellä sijaitseva tuulivoimapuisto (1320 MW Oak Creek-Mojave Yhdysvalloissa, Kaliforniassa) on teholtaan jo suurempi kuin monet ydinvoimalat. Esimerkiksi Suomeen tekeillä oleva Olkiluoto 3, lajissaan maailman suurin, on teholtaan 1 600 MW.

Vaikka siirtolinjat Afrikasta ovat todennäköisesti vielä kaukana tulevaisuudessa, on jo nyt Euroopassa sähköverkostoa uudistettu paitsi tehokkaammaksi, niin myös älykkäämmäksi. Näin esimerkiksi tuulivoimaa voidaan siirtää paremmin tuulisilta alueilta sinne, missä on tyynempää. Jossain tuulee aina, joten vaikka vieressä oleva tuulivoimala ei pyörisikään, toisaalla vastaavat viuhuvat vinhastikin. Samoin aurinkosähköä voidaan siirtää päivänpaisteisilta alueilta pilvisille.

Mitä vielä otsikkokuvaan tulee, niin kannattaa muistaa, että siinä on laskettuna mukaan vain sähköenergia - ei esimerkiksi kaikkea sitä (pääosin öljystä tulevaa) energiaa mitä liikenne vaatii. Se kuitenkin osoittaa sen, että energiasta ei maapallolla ole pulaa, vaan halusta ottaa se oikeasti käyttöön.

Öljylle on olemassa varteenotettavia vaihtoehtoja jo nyt, eivätkä vaihtoehtoiset energiamuodot ole mitään haihattelua. Pian ihmettelemme nykyistä öljymässäilyämme samaan tapaan kuin nauramme edelleen monien talojen katutasossa oleville luukuille, joista vain muutamia kymmeniä vuosia sitten lapioitiin koksia kellarikerrokseen lämmittämistä varten...