Ero sivun ”Fuusioreaktori” versioiden välillä

'''Fuusioreaktori''' on [[reaktori]], joka tuottaa energiaa [[fuusioreaktio|ydinfuusio]]n avulla. Tavallisimmassa fuusioreaktioissa [[vety]] yhdistyy [[helium]]iksi ja tuottaa energiaa. Fuusioreaktorin sanotaan olevan turvallisempi kuin nykyisin käytössä olevat fissioon perustuvat ydinreaktorit. Ydinfuusio tuottaa suuria energiamääriä fuusioituvaa ainekiloa kohden, ja fuusioituva aine vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine.

Fuusioreaktiossa kevyet alkuaineet yhtyvät raskaammiksi alkuaineiksi. Yleisin fuusioreaktio on vetyatomien yhdistyminen heliumiksi.

Jotta fuusioreaktio alkaisi, fuusioituva vety pitää kuumentaa riittävän korkeaan lämpötilaan, puristaa riittävän tiheäksi ja pitää koossa riittävän kauan. Näin fuusiolaitetta luonnehtii se, täyttääkö se tietyssä lämpötilassa tarvittavan hiukkastiheyden <math>n</math> ja koossapitoajan <math>\tau</math> (''tau'') tulon. Tietylle lämpötilalle <math>N \cdot \tau</math> on [[Lawsonin kriteeri]].<!-- joka on D-T-reaktiolla, 100 miljoonan kelvinin lämpötilalle mikä-->

Nykyään kaupallisessa käytössä oleva ydinvoima, [[fissio]], toimii eri periaatteella kuin fuusio. Fissiossa raskas ydin, tavallisesti [[uraani]] tai [[plutonium]], hajoaa kahdeksi kevyemmäksi, kun sitä on ensin pommitettu neutroneilla. Vedyn helposti fuusioituvia raskaita isotooppeja, ovat [[deuterium]] D ja [[tritium]] T. Käytännössä ensimmäinen fuusioreaktori toteutetaan (jos fuusiota yleensä saadaan toimimaan reaktorissa) käyttäen [[deuterium]]-[[tritium]]-fuusiota eli DT-fuusiota, koska se on helpoin toteuttaa ja myös tuottoisin. Tämä reaktio vaatii toimiakseen 90 miljoonaa astetta. Deuterium-deuterium-reaktio vaatii jo 600 miljoonaa astetta.

Yksi D-T reaktio vapauttaa 17,6 [[MeV]] energiaa eli grammasta fuusioituvaa ainetta tulee 95000 kWh sähköä.

Eräs deuterium-tritium-reaktorin rasite on se, että se vaatii litiumia, josta reaktorin tuottamat neutronit pilkkovat tritiumia. Alkupanokseksi vaaditaan valmista tritiumia jonkun verran. Tämä tritium voidaan tuottaa fissiotutkimusreaktorissa tai vastaavassa. Litiumin määrä on maan pinnalla rajallinen. Tämän reaktion tuottamat hyvin suurienergiaiset neutronit ovat vaarallisempia kuin D-D-reaktion tuottamat. Reaktori ei liene ainekiloa kohden käytännössä yhtä tuottoinen kuin D-D-reaktori.

Pullon vaatimat voimakkaat magneettikentät on saatu aikaan suurilla [[Suprajohde|suprajohtavilla]] käämeillä, joissa kulkee valtava virta. Plasman pidempiaikainen koossa pitäminen on osoittautunut ongelmalliseksi, sillä kuumassa, magneettisessa plasmassa on monia epävakaisuusilmiöitä. Magneettifuusiolaitteissa kuumennettu vety on pidettävä irti reaktorin seinämistä, koska mikään seinämä ei kestä plasman 100 miljoonan asteen lämpötilaa. Plasma värähtelee ja on epävakaata. Usein yritykset vakauttaa plasmaa ovat tuottaneet uusia epävakaisuuksia. Eri fuusiolaitteissa on erilaisia puutteita, mutta eräs kaikille laitteille tyypillinen ongelma on uurre-eli vaihtoepävakaisuus. Yleensä epävakaisuudet johtuvat magneettikentän voimaviivojen kaartumisesta.

Stellaraattorissa pyritään kiertämään joitain plasmalle tyypillisiä epävakaisuuksia, joita tokamakissa on. Stellaraattori on tokamakia monimutkaisempi niin teoriassa kuin käytännössäkin. Monet stellaraattorin osat ovat vaikeampia valmistaa kuin tokamakin osat. Jotkut plasmatutkijat pitävät USA:ssa 1950-luvulla kehitettyä stellaraattoria tokamakia kehittyneempänä, parempana ratkaisuna. Laitteita on tutkittu Yhdysvalloissa, Saksassa ja Japanissa. Stellaraattorin plasmatila on mutkainen torus.

Suurimpia etuja on käytetyn polttoaineen yleisyys ja runsas energiantuotto ainekiloa kohden. Vedyn polttaminen sekä kemiallisesti että ydinreaktiossa on runsaasti energiaa tuottavaa. 1 kg vetyä tuottaa kemiallisesti palamalla noin 119 megajoulea. 1 kg vetyä fuusioreaktiossa tuottaa yli viisi miljoonaa kertaa enemmän: 600 terajoulea. Kemiallinen palaminen vapauttaa kemiallisen sidoksen energiaa, ydinreaktio atomiytimen sisäistä vahvan ydinvuorovaikutuksen sidosenergiaa. Fuusion käyttö [[ydinvoima]]n tuotannossa toisi monia etuja suhteessa nykyisissä voimaloissa käytettyyn [[fissio]]reaktioon. Fuusion polttoainetta on luonnossa käytännössä rajattomasti: vety on yleisin alkuaine. Deuteriumia saadaan pelkästään merivedestä valtavat määrät, sillä noin joka 5000:s vetyatomi on deuteriumatomi. Tritiumia saadaan tuotettua litiumista pommittamalla ainetta neutroneilla. Lisäksi fuusion reaktiotuotteena syntyvä helium ei ole radioaktiivista eikä muutenkaan vaarallista, joten mitään käytetyn polttoaineen sijoitusongelmaa ei synny.

Fuusioreaktori on turvallinen, koska fuusio ei reaktori sammutettuna jatku minuuttia kauemmin. Fuusioreaktiota on helpompi hallita kuin fissiota, koska se vaatii äärimmäiset, tarkoin määritetyt magneettikenttä-, lämpötila- ja paineolosuhteet. Vaikka fuusioreaktorin jäähdyttimeksi ja tritiumin raaka-aineeksi aiottu litium on helposti syttyvää, on sitä reaktorissa kerrallaan vain noin kilon verran.

Fuusioon tarvittavat lämpötila ja tiheys on saavutettu, samoin plasman pitäminen koossa onnistuu kohtalaisen hyvin. Ongelma fuusiokokeiluissa on ollut plasman "läikkyminen yli" magneettisesta pullosta. Tutkimuksessa on pyritty hitaasti yhä parempiin teholukemiin, mutta reaktorista on saatu vain hetkellisesti enemmän tehoa, kuin reaktion ylläpitämiseen on vaadittu. Fuusiota on pystytty tähän asti pitämään käynnissä vain muutamia sekunteja. Kaikki rakennetut laitteet ovat olleet vasta koelaitteita. Fuusiokokeille ominaista on ollut, että yhden ongelman ratkaiseminen synnyttää uusia ongelmia. Todellisen reaktorin oloja ei ole tutkittu. Tutkimuksen painopiste on siirtymässä reaktorimateriaaleihin.

Reaktorin pintamateriaalien tulisi kestää kovaa kuumuutta ja neutronisäteilyä, ja kuitenkin jäähdytyksen olisi toimittava hyvin pitkiä aikoja. Samalla kun reaktorin pintamateriaali hehkuu kovassa kuumuudessa, sen käämien olisi pysyttävä noin 200 pakkasasteessa suprajohtavuuden säilyttämiseksi. Litiumvaippa jäähdyttää reaktorin sisäpinnan. Monet ehdotetut materiaalit ovat joko nopeasti lämmössä ja säteilyssä kuluvia, hidastavat pieninä määrinä hiukkasina leijuessaan fuusioreaktiota tai muuttuvat reaktorin säteilyssä helposti radioaktiivisiksi.

Fuusiotekniikkaa on tutkittu [[1950-luku|1950-luvulta]] lähtien. Euroopan tunnetuimmassa fuusiolaitteessa [[Joint European Torus |JET]]:issä saatiin [[1991]] noin 1 megawatti 2 sekunnissa, mutta energiankulutus oli 15 mega[[watti]]a. Tämä tulos oli huomattavasti parempi kuin 70-luvulla, jolloin toiveet fuusiosta ennen vuotta [[2000]] olivat jo hiipuneet. [[1994]] USA:ssa tuotettiin 10,7 MW yhden sekunnin ajan satojen megawattien kulutuksella. Edistys on ollut aikaisemmasta valtavaa: [[1970-luku|1970-luvulla]] saatiin fuusiokokeissa ulos vain watin tuhannesosia. Kaikkien aikojen kestävin fuusioreaktio on mitattu ranskalaisessa koereaktorissa: kuusi ja puoli minuuttia.

Kansainvälisenä yhteistyönä aiotaan rakentaa tutkimuslaitos ITER, jolla pyritään saavuttamaan energiantuotannossa pitkään jatkuva positiivinen [[hyötysuhde]]. [[ITER]]-hanke on kohdannut monia takaiskuja ja koereaktorin paikasta on kiistelty, mutta paikaksi on lopulta valittu [[Ranska]]. Sen jälkeen suunnitteilla on DEMO, ensimmäinen kaupallisen fuusioreaktorin prototyyppi.