Ero sivun ”Fuusioreaktori” versioiden välillä

Vuonna 2015 kehityksessä tavoitteena on plusnettoenergisen ja pitkäkestoisen reaktion saavuttaminen. Esimerkiksi fuusiokokeissa [[Joint European Torus|JET]]-reaktorilla on hyvin pienen hetken saatu reaktorista ulos enemmän tehoa kuin mitä siihen on syötetty. NytSeuraavaksi tutkijat yrittävät rakentaa laitteen, jossa fuusio jatkuisi pidempään. Suurin hanke näistä on rakenteilla oleva (20152019) [[ITER|ITER.]] Jatkumona Iterille ensimmäisen sähköä tuottavan fuusioreaktorin, [[DEMO]]:n uskotaan valmistuvan 2050-luvulla, jos tutkimukset etenevät suunniteltua vauhtia. Eniten tutkitun [[Tokamak|tokamak-tyyppisen reaktorin]] lisäksi aktiivisen tutkimuksen kohteena on myös lukuisia muita tapoja toteuttaa fuusioreaktori.

Fuusioreaktori on peruslähtökohdiltaan turvallisempi kuin käytössä olevat fissioon perustuvat ydinreaktorit. Näin koska fuusioreaktio vaatii hyvin erityiset olosuhteet verrattuna fissioreaktioon. Jos fuusioreaktori vikaantuu fuusio lakkaa välittömästi toisin kuin fissioreaktorissafissiossa. Lisäksi fuusion tyypillisin reaktiotuote helium on varsin saasteeton verrattuna fission [[Ydinjäte|ydinjätteeseen]], tosin reaktorin säteilemät protonit ja neutronit saastuttavat jossain määrin reaktorin rakenteetrakenteita.

Fuusiolaitteiden edistyskehitys on ollut huimaanpopeaa, 2000-luvun fuusiolaitteet tuottavat tuhat-miljoonakertaisesti enemmän energiaa kuin 1970-luvun laitteet ja nykyään ollaankin aiempaan nähden jo melko lähellä jatkuvatoimista, runsaasti energiaa tuottavaa reaktoria. Seuraava fuusiolaite onkin tehokas koereaktori [[ITER]], joka ei tuota sähköä, mutta jossa tutkitaan kaupallisen fuusioreaktorin tekniikkaa.

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. KäytännössäTodennäköisesti ensimmäinen fuusioreaktori toteutetaan (jos siis fuusiota yleensäyleensäkään 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.{{Selvennä|Hyötysuhde tästä energiasta sähköksi?}}

Eräs deuterium-tritium-reaktorin rasite on se, että se vaatii [[Litium|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.

Fuusio on vaikea toteuttaa, koska kaikki [[atomi]]ytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siten hylkivät toisiaan. Ytimiä ympäröi sähköinen suojavalli, joten niiden välillä vaikuttaa poistovoima. Jos kuitenkin ytimiä puristetaan tai törmäytetään kyllin lujaa toisiaan vastaan, atomiytimet voivat yhdistyvät. Fysiikasta tiedetään, että [[lämpö]] on aineen pienimpien osasten liikettä. Lämpötilan kasvaessa atomit ja niiden ytimet liikkuvat yhä nopeammin. Riittävän korkeissa lämpötiloissa atomin ytimet liikkuvat niin nopeasti, että törmäävät toisiinsa sähköisistä poistovoimista huolimatta. Törmäyksessä ytimet yhdistyvät ja vapautuu suuri määrä energiaa.

Fuusioreaktiot vapauttavat ylimääräisiä neutroneja tai protoneja, jotka ovat vaarallista ionisoivaa säteilyä ja saattavat muuttaa reaktorin materiaaleja radioaktiivisiksi. Tämän takia yhtä fuusioreaktoria voidaanvoitaneen käyttää korkeintaan muutaman vuosikymmenen ajan –

Fuusioitava vety on kuumennettava korkealämpöiseksi plasmaksi, jota voidaan pitääpidetään koossa magneettikentillä "magneettisessa pullossa". Plasmassa ovat positiivisesti varautuneet atomin ytimet ja elektronit ovat irti toisistaan. Vety on plasmaa yli 100 000 kelvinin lämpötilassa.

Pullon vaatimat voimakkaat magneettikentät on saatu aikaan suurilla [[Suprajohde|suprajohtavilla]] käämeillä, joissa kulkee valtavasuuri 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.

Tokamakissa [[Fuusioreaktio|fuusioituva]] [[deuterium]] kuumennetaan vaihtuvalla magneettikentällä kuumaksi [[plasma]]ksi, joka pidetään renkaanmuotoisen kammion keskellä. Aluksi plasma kuumennetaan muuttuvien magneettikenttien aiheuttamalla virralla noin 30 miljoonaan asteeseen asti. Tämän jälkeen kuumennusta jatketaan muilla tavoilla, esimerkiksi hiukkassuihkuilla tai radiotaajuisella sähkökentällä. Plasman keskellä lämpötila on 100 miljoonaa astetta, reunalla 2 000 astetta. Plasma pysyy koossa ulkoisten magneettikenttien ja plasmassa esiintyvien virtojen aiheuttamien kenttien avulla. Nimi tokamak tulee venäjän sanoista ''toroidinen kammio magneettikäämeillä'' ({{k-ru|тороидальная камера с магнитными катушками|toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami}}). Tokamakin idean esittelivät venäläiset fyysikot [[Igor Tamm]] ja [[Andrei Saharov|Andrei Saharov]] vuonna [[1951]].

Toinen ratkaisu, [[stellaraattori]], muistuttaa tokamakia, mutta plasmavirroilla ei siinä ole merkitystä plasman koossa pitämisessä. Tällaisia laitteita on tutkittu vähemmän kuin tokamakia.