Läpimurto fuusioenergiassa

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