ydinfuusio

Elämälle tärkeää happea oli jo 500 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa

Ke, 05/16/2018 - 18:46 By Markus Hotakainen

Happi on tuntemamme elämän kannalta keskeinen alkuaine. Se on syntynyt tähtien sisuksissa jylläävissä fuusioreaktioissa – uuden tutkimuksen mukaan jo maailmankaikkeuden vauvaiästä alkaen.

Vetyä, heliumia ja litiumia lukuun ottamatta kaikki universumin alkuaineet – myös elämän kannalta keskeiset hiili, happi ja typpi – ovat tulosta tähtien ydinfuusiosta. Ikääntyvien tähtien räjähtäessä alkuaineet leviävät avaruuteen ja niiden määrä kasvaa tähtisukupolvesta toiseen.

ALMA-teleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) tehtyjen havaintojen perusteella happea on esiintynyt maailmankaikkeudessa jo 13,28 miljardia vuotta sitten eli vain 500 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Universumin ikä oli tuolloin ainoastaan neljä prosenttia nykyisestä.

Jotta nuoreen galaksiin, joka tunnetaan luettelotunnuksella MACS1149-JD1, olisi ennättänyt kertyä havaittava määrä happea, sen tähtien on täytynyt syttyä loistamaan jo paljon aikaisemmin, vain 250 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa.

"Oli jännittävää nähdä kaikkein kaukaisimman hapen signaali", kertoo tutkimusta johtanut Takuya Hashimoto Osaka Sangyo -yliopistosta.

"Äärimmäisen kaukainen ja äärimmäisen nuori galaksi osoittaa hämmästyttävää kemiallista kypsyyttä", ihmettelee puolestaan Wei Zheng, jonka johdolla määritettiin galaksin etäisyys Hubble-avaruusteleskoopin avulla.

Supernovaräjähdysten seurauksena tähtienväliseen avaruuteen levinnyt happi kuumeni ja ionisoitui massiivisten tähtien voimakkaassa säteilyssä, ja alkoi hohtaa infrapunasäteilyn aallonpituuksilla.

Yli 13 miljardissa vuodessa maailmankaikkeuden laajeneminen on venyttänyt hapen lähettämän säteilyn aallonpituutta niin paljon, että nykyisin se on havaittavissa ALMA-teleskoopin rekisteröimällä millimetrialueella.

Itse asiassa hapen ja sitä sisältävän nuoren galaksin etäisyys määritettiin nimenomaan aallonpituudessa tapahtuneen muutoksen perusteella. Havainto varmistettiin Euroopan eteläisen observatorion VLT-teleskoopilla ja lisätietoa galaksista saatiin infrapuna-alueella toimivalla Spitzer-avaruusteleskoopilla.

Sen lisäksi, että happea ei ole koskaan aiemmin havaittu näin etäältä, MACS1149-JD1 on myös kaukaisin galaksi, jonka etäisyys on onnistuttu määrittämään tarkasti.

Tutkijat arvelevat, että galaksin tähdet syntyivät 250 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Niiden voimakas säteily ja tähtituuli puhalsivat ylijääneen kaasun galaksista ulos, jolloin uusia tähtiä ei syntynyt pitkiin aikoihin.

Vasta noin 250 miljoonaa vuotta myöhemmin galaksiin oli kertynyt riittävästi kaasua uutta tähtisukupolvea varten. Uusien tähtien säteily puolestaan ionisoi edellisen sukupolven tuottaman hapen.

"Nyt tehdyn löydön ansiosta olemme päässeet tarkastelemaan tähtien kehityshistorian varhaisinta vaihetta", Hashimoto toteaa.

Tutkimuksesta kerrottiin NRAOn (National Radio Astronomy Observatory) uutissivulla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / NASA/ESA Hubble Space Telescope / W. Zheng (JHU) / M. Postman (STScI) / the CLASH Team / Hashimoto et al. [otsikkokuva]; NRAO/AUI/NSF / S. Dagnello [taiteilijan näkemys]

Vallankumouksellinen kompakti fuusioreaktori – työtä riittää vielä

Pe, 08/07/2015 - 12:45 By Jari Mäkinen
Lockheed-Martinin T4-reaktori

Lockheed Martin -yhtiössä uudenlaista kompaktia ja pienikokoista fuusioreaktoria kehittävän ryhmän vetäjä Thomas McGuire kertoi hankkeesta eilen illalla Suomen aikaa Princetonin yliopiston plasmafysiikan laboratorion kollokviumissa, mutta varsinaisia mullistavia tietoja ei tästä salamyhkäisestä hankkeesta tullut esiin. Kaikkein kiinnostavimmat tiedot jäivät siten vielä salaan.

Hän esitteli fuusioreaktorin konseptia (mistä kerroimme viime lokakuussa julkaistussa jutussa) sekä sen toimintaperiaatteesta. Nyt käytössä oleva koereaktori T4 (otsikkokuvassa) on kyennyt pitämään plasmaa sisällään yllä McGuiren mukaan muutaman sekunnin ajan, mikä on toki lupaavaa, mutta vielä kaukana siitä, että laite voisi toimia kunnolla. Heillä ei ole tässä versiossa vielä tarpeeksi lämmitystehoa käytettävissään, joten lämpötilassa on päästy vasta 10 – 20 eV:n tasolle.

"Kokeet ovat vielä vaatimattomalla tasolla, joten heillä on yllä paljon töitä tehtävänä", toteaa hanketta seurannut Helsingin yliopiston Fysiikan tutkimuslaitoksen fyysikko Tomas Lindén.

"Reaktori on tavallaan sekoitus monta eri konseptia, mutta vaikuttaa kyllä mielenkiintoiselta. Tarvitaan paljon enemmän kokeita ja kehitystyötä ennen kuin voidaan sanoa toimiiko tämä kompaktin fuusioreaktorin konsepti vai ei. Osaa patenttijulkaisussa olevista asioista ei käsitelty lainkaan, ja McGuire esitti vain sen materiaalin mihin hän oli saanut luvan."

Näin ollen mitään varsinaista uutta ei esitelmässä tullut esille, mutta olennaisinta onkin se, että hanke menee eteenpäin ja Lockheed Martinin luottaa edelleen hankkeeseen – joka toteutuessaan olisi eräs merkittävimmistä tapauksista energiatekniikan alalla. 

Tavoitteena on tehdä pienikokoinen, käteväkäyttöinen ja luotettava pieni fuusioreaktori, joka olisi  kooltaan vain kolmisen metriä ja se tuottaisi 100 megawattia energiaa.

Kehitystyötä tehdään yhtiön kuuluisalla Skunk Works -ideapajalla, joka tunnetaan ennen kaikkea omalaatuisista sotilaslentokoneistaan. Fuusiovoimalalla onkin suora yhteys niin lentokoneisiin kuin sotilaisiin: sen ensisijainen käyttö olisi lentokoneisiin ja muihin liikkuviin sotalaitteisiin asennettavat laseraseet, jotka vaativat runsaasti sähköä. Toteutuessaan tosin tekniikalla olisi paljon enemmän käyttöä siviilipuolella, sillä yksi tällainen fuusiovoimala voisi teoreettisesti tuottaa 80 000 ihmisen taajaman vaativan sähkön ja sen käyttäminen onnistuisi (ainakin periaatteessa) tavalliselta huoltoyhtiöltä.

Ideasta kerrotaan enemmän alla olevissa jutuissa ja palaamme myös (toivottavasti pian) asiaan uudelleen.

McGuiren esitelmä on alla tallenteena Princetonin plasmafysiikkalaboratorion arkistosivustolta.



Alla on vielä Lockheed-Martinin (voimakkaasti PR-henkinen) CFR-hankkeen esittelyvideo :

Paljastuuko mullistava fuusiovoimala tänään illalla?

To, 08/06/2015 - 18:26 By Jari Mäkinen
Kompaktin fuusioreaktorin sisustaa

Päivitys:
Esitelmässä ei ollut mullistavia uutisia, mutta kiinnostavia tietoja. Niistä kerrotaan uudessa jutussa Vallankumouksellinen kompakti fuusioreaktori – työtä riittää vielä.

Alkuperäinen juttu:

Kerroimme viime lokakuussa amerikkalaisen Lockheed Martinin -yhtiön esittelemästä vallankumouksellisesta voimalaitosideasta: pienestä fuusioreaktorista, joka olisi  kooltaan vain kolmisen metriä ja se tuottaisi 100 megawattia energiaa. Jos joka niemeen, notkoon ja saarelmaan saisi tällaisen pienen voimalaitoksen, menisi Suomen ydinvoimalahankkeiden lisäksi koko maailmanpolitiikka uusiksi, kun kaasusta tai öljystä ei olisi kiistakapulaksi – ja energiaa riittäisi kaikille niin paljon kuin vain suinkin. 

Lockheed-Martin on sotilastekniikkaa tekevä yhtiö, ja sen pääkiinnostus on ollut todennäköisesti laivoihin, lentokoneisiin ja rekkoihin asennettava voimalaitos, jolla voisi tehdä virtaa esimerkiksi voimakkaille laseraseille. Kompakti fuusioreaktori, eli Compact Fusion Reactor (CFR), mahtuisi noin 10 m pitkään ja muutamia metrejä leveään tilaan. 

Varmaankin tämän sotilaskytkennän yhtiö ei ole kertonut keksinnöstään tai suunnitelmistaan julkisuuteen yksityiskohtia ja hanketta kohtaan on esitetty – aivan aiheesta – paljon kritiikkiä. Pienikokoisten fuusiolaitosten tekniikkaa on tutkittu turhaan ja vaikka paperilla vastaavat ovat toimineetkin, on käytännön kanssa ollut hankalampaa.

Luonnollisesti myös kaupalliset intressit puoltavat hiljaista kehitystyötä: toimiessaan pieni fuusiovoimala olisi mullistava laite, ja sitä tekevä yhtiö tulee keräämään miljardien – todennäköisesti jopa biljoonien – voitot.

Tässä mielessä tänään illalla klo 23:15 Suomen aikaa pidettävä esitelmä on erittäin kiinnostava: Lockheed-Martinilla hanketta vetävä Thomas McGuire kertoo kompaktin fuusiovoimalan periaatteesta ja kehitystyöstä Princetonin yliopiston plasmafysiikan laboratorion kollokviumissa ja se näytetään myös suorana netissä. Striimi näkyy myös tässä alla; joka tapauksessa tiedossa on äärimmäisen kiinnostava esitys!

Fuusioreaktori joka kotiin?

Ti, 10/21/2014 - 18:23 By Jari Mäkinen
Lockheed Martinin fuusiohankkeen projektipäällikkö Tom McGuire ja koereaktori T-4

Lockheed Martin, amerikkalainen ilmailu-, avaruus- ja sotilasteollisuusjätti, kertoi viime viikolla keksineensä tavan valmistaa pieniä, käteviä fuusioreaktoreita, jotka mullistaisivat energiantuotannon. Paitsi että fuusiovoiman saaminen arkikäyttöön olisi jo sinällään mullistavaa, myös se, että näin voitaisiin tehdä pienessä mittakaavassa, olisi melkeinpä suurempi edistysaskel. Silloinhan haave siitä, että sähköä tuotettaisiin edullisesti ja kätevästi siellä missä sitä tarvitaan, tulisi todeksi: laajoja sähkönsiirtoverkkoja ja suuria voimalaitoksia ei enää tarvittaisi lainkaan siinä määrin kuin nykyisin.

Valitettavasti vain uutiseen kannattaa suhtautua suurin varauksin. Kukaan ei missään ole vielä saanut fuusioreaktoria toimimaan siten, että reaktiosta saataisiin energiaa käyttöön. Vaikka Lockheed Martin julkaisi jo helmikuussa 2013 tietoja fuusiohankkeestaan ja viime viikon uutisointia edelsi yhtiön patenttihakemuksen julkaiseminen.

Monet muutkin henkilöt ja yhtiöt ajattelevat, että juuri tuollaisissa pienissä reaktoreissa voisi olla tulevaisuus. Hankkeita verhoaa kuitenkin salamyhkäyisyys: patentit suojaavat osaa keksinnöistä, mutta tuloksista ja tekeillä olevista uusista hankkeista ei juurikaan kerrota tarkemmin. Kenties näin mullistavista vempeleistä ei kannatakaan kertoa vielä yksityskohtia…etenkin kun sotilaat ovat sekaantuneet asiaan ja mukana on suuria kaupallisia intressejä.

Ensimmäisen kerran fuusioreaktiota koitettiin saada hallitusti syttymään laserilla vuonna 1984 Lawrence Livermoren kansallisessa laboratoriossa, Yhdysvalloissa, NOVA-nimisellä laitteistolla. Fuusioreaktio sinällään on pystytty tuottamaan hallitusti jo 1930 luvulta asti

Fuusio tulee kyllä - mutta milloin ja miten?

Nykyiset ydinvoimalat toimivat fissioperiaatteella, eli niissä raskaita atomiytimiä rikotaan kevyemmiksi, jolloin hitunen ainetta muuttuu energiaksi.

Fuusioreaktorissa puolestaan kevyet aineet törmäytetään yhteen raskaammiksi, jolloin saadaan myös energiaa, kun reaktiossa jää hieman ainetta (siis energiaa) ylitse. Aurinko tuottaa energiansa yhdistämällä vetyä heliumiksi, ja periaatteessa tämä reaktio on myös tavoitteena maanpäällisissä fuusioreaktoreissa. Tarkalleen ottaen aikomuksena on yhdistää deuteriumia ja tritiumia, vedyn raskaita isotooppeja, heliumiksi, ja energian lisäksi oheistuotteina on vain neutroneja.

Myös muita reaktiovaihtoehtoja on olemassa, kuten esimerkiksi deuterium ja Helium-3. Silloin tuloksena olisi alfahiukkasia ja protoneita.

Periaatteessa siis vaikkapa pallojen täyttämiseen sopivaa heliumia tuottava fuusiovoimala on saasteeton siinä missä fissiovoimalan jätökset ovat radioaktiivisia vuosituhansien ajan, ja siinä missä uraani on hankalasti saatavaa ainetta, on vetyä saatavissa kaikkialta missä on vettä.

Perinteinen fissiovoimala vaatii myös koko ajan paapomista, sillä jos sen reaktio pääsee villiksi, tuloksena on suuria ongelmia. Fuusiovoimalassa kaikki käyttöhäiriöt puolestaan johtaisivat siihen, että voimala vain sammuisi. Koska fuusioreaktiota täytyy pitää koko ajan yllä, se on erittäin turvallinen jopa perinteiseen hiilivoimalaan verrattuna.

Lisäksi fuusio tuottaa hurjasti energiaa. Verrattuna fissioon, kilosta fuusiopolttoainetta saa neljä kertaa enemmän energiaa, ja verrattuna hiileen luku on vielä huimempi: fuusio on 10 miljoonaa kertaa tehokkaampi energiantuotantotapa.

Fuusiovoima olisi siis puhdasta, tehokasta ja sitä riittäisi ylitse kaiken kuviteltavissa olevan tarpeemme.

Käytännössä kuva ei ole aivan näin ruusuinen, sillä fuusiovoimalan rakenteet muuttuvat neutronipommituksessa radioaktiivisiksi. Ongelmat ovat kuitenkin minimaalisia verrattuna fissiovoimaloiden riskeihin ja ongelmiin.

Suurempi ongelma on vielä se, että fuusiota ei ole saatu toimimaan. Parhaimmillaan hetken kestänyt toiminta on tuottanut teoreettisesti enemmän energiaa kuin sen käynnistäminen on vaatinut, mutta jatkuva, koko ajan energiaa tuottava voimalaitos on vielä haavetta vain.

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.

Plasmaa

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:

Fuusioreaktio Jamien tapaan

To, 03/06/2014 - 10:40 By Toimitus
Jamie Edwards

Englantilainen 13-vuotias Jamie Edwards on maailman nuorin ydinfuusion aikaan saanut henkilö. Edellinen ennätys oli Taylor Wilsonilla Nevadasta; hän onnistui tässä ollessaan 14 vuotta vanha.

Siis nykyisin teini voi onnistua siinä, mihin muutama vuosikymmen sitten tarvittiin suuri tutkijaryhmä ja iso laboratorio. Kyseessä ei luonnollisestikaan ole suuri ja vaarallinen ydinpommi tai sähköä voimaverkkoon laittava reaktori, vaan pienikokoinen demonstraatio – tosin erittäin vaativa sellainen. Koejärjestelyssä tuotetaan vedystä heliumia ydinfuusiolla periaatteessa samaan tapaan miten Aurinko tuottaa energiaansa.

Jamie oli kiinnostunut asiasta ja ehdotti fuusioreaktorin tekemistä koululleen Leicestershiressä, Englannissa, ja sai sitä varten 2000 punnan apurahan viime marraskuussa. Sen jälkeen hän ryhtyi hommiin ja tilasi pääosin internetin kautta kaikkea, mitä koe tarvitsee. Hän raportoi koko ajan hankkeen edistymisestä kaikkine vastoinkäymisineen ja onnistumisineen blogissaan. Kun reaktori oli lopulta valmis, hänen täytyi osallistua vielä säteilyturvakurssille ennen kuin reaktori sai käynnistysluvan.

Alla on BBC:n Jamiesta ja hänen projektistaan tekemä juttu.

"Fuusioreaktorin" periaate

Kyseessä oleva reaktori ei ole luonnollisestikaan samanlainen fuusioreaktori, mistä toivotaan uudenlaista energianlähdettä. Se ei toimi myöskään samalla tavalla kuin vetypommi – muutoin tuskin koulu olisi antanutkaan Jamien toteuttaa haavettaan.

Reaktori on niin sanottu fuusori, jonka kehitti 1960-luvulla fysikko Philo T. Farnsworth. Hänen toiveenaan oli saada laitteistolla aikaan energiaa kuten "oikealla" fuusiorekatorilla, mutta lopulta laitteistosta tulikin suosittu fysiikan demonstraatio.

Fuusorissa on tyhjökammiossa kaksi sisäkkäistä sähköäjohdinverkkoa, joista sisempään johdetaan negatiivinen varaus ja ulompaan positiivinen varaus.

Kammion sisältä pumpataan lähes kaikki ilma pois, mutta sinne laitetaan vähän deuteriumia, eli vedyn raskasta isotooppia kaasuna. Suurjännite sähköverkoissa saa kaasun ionioitumaan, eli sähkökenttä potkaisee molekyyleistä eletronin pois, ja näin positiivisesti varattu deuterium alkaa liikkua sähkökentän kiihdyttämänä kohti tyhjökammion keskustaa. Osa ioneista törmää toisiinsa, ja ne jotka menevät ohitse, liikkuvat pian kammion ulkoreunalle, jolloin sähkökenttä hidastaa niiden menoa ja kääntää liikesuunnan takaisin kohti keskustaa.

Mikäli fuusorin energia on varsin pieni, hohtaa sisällä oleva plasma kauniina pilvenä. Näyttää siltä, että kammion sisällä olisi pieni Aurinko.

Korkeampienergisissä fuusoreissa deuteriumionit yhtyvät heliumiksi ja tritumiksi, vedyn deuteriumiakin raskaammaksi isotoopiksi. Deuteriumissa on vetyatomin ytimessä protonin lisäksi yksi neutroni ja tritiumissa kaksi. Kun kaksi deuteriumatomia fuusioituu helium-4 -atomiksi, syntyy reaktiossa lisäksi protoni (vety-ydin), neutroni ja gammasäde. Ylimääräistä energiaa reaktio ei tuota, joten tällaista fuusioreaktoria voi käyttää turvallisesti fysiikan demonstraationa.

Fuusorin periaate

Tee itse oma fuusorisi!

Periaate on siis hyvin yksinkertainen ja kuka tahansa voi tehdä fuusioreaktorin. Pitää kuitenkin muistaa, että laitteistossa on vaarallinen korkeajännite ja se tuottaa röntgensäteilyä, joten varotoimet ovat tarpeen. Sähköasennuksia tulee tehdä huolella ja säteilyä vastaan tulee suojautua lyijyllä. Polttoaineena käytettävä vety on erittäin räjähdysherkkää, vaikka tarkoituksena ei olekaan polttaa, vaan fuusioida sitä. Tuotoksena oleva helium sen sijaan ei ole haitallista – sitä käytetään muun muassa ilmapalloissa.

Rahaa osien hankkimiseen kuluu noin 800 euroa, kenties vähemmänkin, jos löytää esimerkiksi käytettyjä mittareita.

Lista on tällainen:

- Tyhjösäiliö, mieluiten pyöreä tai pallomainen. Tämän valmistaminen on hankkeen suurin työ.
- Tyhjöpumppu, joka pystyy imemään säiliöstä ilman pois siten, että tyhjön taso on vähintään 75 mikronia eli noin 99,95% tyhjä
- Toinen, paremman tyhjön saamiseen sopiva pumppu
- Suurjännitevirtalähde, vähintään 40kV ja 10mA (negatiivinen napaisuus)
- Suurjännitevolttimittari
- Painemittari tyhjötason mittaamiseen
- Neutronisäteilyilmaisin
- Geigermittari (röntgensäteilyn mittaamiseen, turvallisuusvaruste)
- Deuterium-kaasua (deuterium on vedyn raskas isotooppi). Tätä voi ostaa tai tehdä itse elektrolyysillä.
- Suuri kuormitusvastus, vähintään 30 cm pitkä ja 50-100K
- TV ja kamera, joilla nähdään reaktorin sisälle
- Lyijyä kameran näköreiän suojaksi
- Normaaleita työkaluja ja porakone.

Hyvät ohjeet laitteiston tekemiseen löytyvät mm. Discovery-lehden sivuilta.

Läpimurto fuusioenergiassa

Pe, 02/14/2014 - 11:19 By Jari Mäkinen
Fuusiokoelaitoksen lasersäteen esivahvistimia

Fuusioreaktori olisi lähes täydellinen voimalaitos: se tuottaisi valtavasti energiaa ja päinvastoin kuin nykyiset fissiovoimalat, häiriötilanteessa niissä ydinreaktio sammuisi itsestään.

Tosin tämä automaattinen sammuminen liittyy myös siihen, että reaktion saaminen käyntiin on hyvin vaikeaa. Ongelmana on toistaiseksi ollut se, että koelaitoksissa fuusioreaktion käynnistäminen on vaatinut enemmän energiaa kuin se on lopulta tuottanut. Tätä kohden on otettu askeleita pääasiassa Yhdysvalloissa ja Euroopassa olevilla koelaitoksilla, ja "ennätystä" on pitänyt hallussaan Iso-Britannian Oxfordshiressä sijaitseva JET, Joint European Torus, yhteiseurooppalainen fuusiotutkimuslaitos, joka on lajissaan edelleen maailman suurin. Siellä 16,1 MW:n käynnistysenergialla saatiin fuusioreaktiossa tuotettua 10 MW. Reaktio oli myös jatkuva, tosin vain puolen sekunnin ajan.

Nyt Kalifornian Livermoressa sijaitsevassa Yhdysvaltain puolustusministeriön alaisessa kansallisessa laboratoriossa on onnistuttu saamaan voittoa tässä energiatasapainopelissä. Kyseessä on läpimurto ydinfuusion saamisessa oikeasti käyttöön. Nature-lehden helmikuun 12. päivän numerossa julkaistussa artikkelissa LLNL:n (Lawrence Livermore National Laboratory) tutkijat kuvailevat, miten keskuksessa sijaisevassa fuusiotutkimuslaitoksessa onnistuttiin käynnistämään fuusioreaktio, mikä sai aikaan olennaisesti aiempia parempia tuloksia ja tuotti enemmän energiaa kuin käynnistäminen vaati.

Laitoksen nimi kuvaa hyvin sen tehtävää: vapaasti suomennettuna National Ignition Facility (NIF) on "kansallinen sytytyslaitos".

Sytyttäminen hoidetaan laitoksessa 192 voimakkaalla lasersäteellä, jotka kohdistettiin noin kaksi millimetriä halkaisijaltaan olleeseen pieneen muovikapseliin (kuva alla), jonka sisällä oli fuusiopolttoaineena vedyn kahta raskasta isotooppia, deuteriumian ja tritiumia. Lasersäde paitsi kuumentaa, niin myös samalla puristaa polttoainekohtiota pienemmäksi, jolloin fuusioreaktio syttyy. Tutkijat onnistuivat nyt tiivistämään sitä niin paljon, että olosuhteet reaktion syttyminen aikaan vastasivat noin kolminkertaisesti tiheyttä Auringon sisällä.

Fuusioreaktiossa, kuten Auringossa, kevyet atomityimet yhtyvät raskaammiksi. Nyt deuretium ja tritium fuusioituivat heliumiksi, jolloin samalla syntyy neutroni ja alfahiukkanen.

Aiemmissa fuusiokokeissa ei reaktiossa syntyvää energiaa ole pystytty ottamaan kunnolla käyttöön reaktion jatkumiseksi, vaan energia on päässyt suurelta osin karkaamaan harakoille. Nyt reaktiossa syntyneet alfahiukkaset kuumensivat edelleen polttoainetta, jolloin fuusioreaktio kiihtyi ja sai aikaan edemmän alfahiukkasia, jotka puolestaan synnyttivät lisää reaktioita. Näin pysyvä fuusioreaktio pääsi käynnistymään pienen polttoainekapselin sisällä ja tehotuotto saatiin noin kymmenen kertaa paremmaksi kuin aiemmissa fuusiokokeissa.

Lasertekniikan paranemisen ohella tutkijat kiinnittivät nyt huomiota yksinkertaisesti siihen, ettei polttoainetta sisältäneen kapselin muoviseinät päässeet rikkoontumaan liian aikaisin. Tämä onnistui paitsi parantamalla kapselia sinällään, niin myös kohdistamalla lasersäteet siihen tasaisesti ja hallitsemalla lasersäteiden pulsseja aiempaa täsmällisemmin.

Alla on yksi säteiden tarkkaan kohdentamiseen käytetyistä apuvälineistä.

Kohdennusapu

Ensimmäiset kokeet uudella laitteistolla tehtiin viime syyskuussa ja marraskuussa, mutta silloin ne eivät vielä tuottaneet energiaa siinä määrin kuin toivottiin, vaikkakin tulokset olivat jo hyvin lupaavia. Verrattuna polttoaineen energiasisältöön, sitä jäi vapautumatta varsin paljon.

Niinpä tutkijat väänsivät lasereistaan vielä enemmän tehoa irti ja ampuivat kohtiota viime vuoden toukokuusta alkaen kaksinkertaisella energialla.

Paitsi että reaktiossa saatiin nyt tuotettua energiaa enemmän kuin aikaisemmin, vastasi koe myös aikaisempia kokeita tarkemmin tietokoneilla tehtyjä teoreettisia mallinnoksia. Tämä auttaa tutkijoita parantamaan ydinfuusion matemaattisia malleja ja siten suunnittelemaan tarkemmin tulevia kokeita. 

Tavoitteena on luonnollisesti hallittu, koko ajan jatkuva fuusioreaktio, jota voitaisiin pitää yllä polttoainetta reaktioon lisäämällä samaan tapaan kuin liekkiä hiilivoimalassa hiiltä pesään lapioimalla.

Tässä olennaisessa roolissa on ITER, eteläiseen Ranskaan, Cadaracheen, rakenteilla oleva kansainvälinen koefuusioreaktori. Siitä tulee ensimmäinen suurikokoinen, oikean voimalaitoksen kokoluokkaa oleva tutkimusreaktori. Sen ytimenä olevan tokamakin, donitsin muotoisen tyhjökammion, jonka sisällä fuusioreaktio tapahtuu voimakkaan magneettikentän hallitsemana, rakentaminen alkoi viime vuonna ja laitos käynnistyy toivottavasti vuonna 2020.

Kuvat ja taustatiedot kokeesta: Lawrence Livermore National Laboratory