TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALASähkötekniikkaSähkövoimatekniikkaINSINÖÖRITYÖFUUSIOVOIMATyön tekijä: Harri VuorinenTyön valvoja ja ohjaaja:Sampsa KupariTyö hyväksytty: __. __. 2010Sampsa Kuparilehtori, dipl.ins.
TIIVISTELMÄTekijä: Harri VuorinenTyön nimi: FuusiovoimaPäivämäärä: 19.4.2010Sivumäärä:   48Koulutusohjelma: SähkötekniikkaSuuntautumisvaihtoehto:  SähkövoimatekniikkaTyön valvoja ja ohjaaja: lehtori, dipl.ins. Sampsa Kupari, Metropolia AmmattikorkeakouluTässä insinöörityössä tutkittiin fuusion syntyä fuusioreaktiossa sekä fuusioiden tyyppejä.Nykyisin paras kolmesta tarkastellusta reaktiosta (teoriassa) saatiin 45 miljoonan asteenlämpötilassa, kun yhdistettiin yksi deuterium ja yksi tritiumatomi. Nykyään ainoa toimivafuusioreaktorin sovellus on vetypommi. Esimerkiksi, kun 1 kilogramma vetyä palaa eli yh-tyy hapen kanssa vedeksi tavallisessa kemiallisessa reaktiossa, energiaa vapautuu 119megajoulea. Mutta kun 1 kilogramma vetyä fuusioituu heliumiksi Auringon ytimessä, ener-giaa vapautuu noin 600 terajoulea eli viisi miljoonaa kertaa enemmän.Lisäksi tutkittiin, mikä olisi paras reaktori fuusioon. Vaihtoehtoja oli kolme: Tokamak, stel-laraattori ja laserfuusiolaite. Niistä vaihtoehdoista paras ja helpoin oli Tokamak, koskaTokamak on suhteellisen yksinkertainen rakenteeltaan. Tämän takia Tokamakeja on ra-kennettu moniin maihin.Ensimmäiset fuusioreaktorit rakennettiin 1970-luvulla ja niiden kehitys on ollut joidenkinmielestä hidasta toiset taas ajattelevat, että se on ollut nopeaa. Nykyisin paras fuusioreak-tori on JET (JointEuropeanTorus), koska se on jo tuottanut yhtä paljon energiaa kuinkuluttaa. Seuraavaksi olisi vuorossa ITER-reaktori (InternationalThermonuclearExpe-rimentalReactor), joka valmistuu vuonna 2016.Fuusiovoiman tärkeys on kasvanut vuosi vuodelta, koska fossiilisten polttoaineiden käyt-töä yritetään vähentää niiden korkeiden hiilidioksidipäästöjen takia.Avainsanat: fuusio, fuusiovoima, fuusioreaktio, ITER-reaktori
ABSTRACTName: Harri VuorinenTitle: Fusion PowerDate: 19.4.2010Number of pages: 48Department: Electrical EngineeringStudy Programme:  Electrical Power EngineeringInstructor and supervisor: Lecturer, M.Sc. Sampsa Kupari, Metropolia University of Appli-ed SciencesThis work studies the generation of fusion in a fusion reactor and different types of fusion.One aim was to determine what the best reactor to the fusion would be. Today the bestreaction of three alternatives (in theory) was achieved in a temperature of 45 million de-grees of Celsius when one deuterium atom and one tritium atom was merged. Today theonly working application of the fusion reactor is the hydrogen bomb. For example if 1 kilo-gram of hydrogen burns or combines with oxygen to water in a normal chemical reaction119 megajoules of energy is released. But when 1 kilogram of hydrogen atoms fuses intohelium atoms in the core of the Sun about 600 terajoules of energy is released, which is 5million times more.In order to determine the best fusion reactor, this study indicates that there are three al-ternatives. These include Tokamak, stellarator and laser fusion device. The best and theeasiest  of  the  above  alternatives  turned  out  to  be  Tokamak  due  to  its  relatively  simplestructure. This is why Tokamaks have been built in many countries.The  first  fusion  reactors  were  built  in  the  1970’s  and  some  say  that  the  development  offusion reactors has been slow while others think it has been fast. Today the best fusionreactor is JET (JointEuropeanTorus)  because  it  has  produced  as  much  energy  as  ituses. The next will be ITER reactor (InternationalThermonuclearExperimentalReac-tor) which will be completed in 2016.The  importance  of  fusion  power  has  grown  every  year  as  a  common  objective  for  mostcountries is to reduce the use of fossil fuels.Keywords: Fusion, fusion reactors, fusion power, ITER reactor
SISÄLLYSTIIVISTELMÄABSTRACTSISÄLLYS1JOHDANTO12FUUSIOTUTKIMUS22.1Tähtien energialähde22.2Fuusiotutkimuksen tila kymmenen vuotta sitten32.3Fuusioenergia tuotanto42.4Fuusion turvallisuus42.5Fuusion ympäristövaikutukset52.6Fuusiotutkimuksen edistysaskeleet52.7Eurooppalainen tutkimusalue - fuusio63FUUSIOREAKTIO83.1Fuusioreaktio muuttaa massan energiaksi93.2Fuusioreaktio radioaktivoi fuusioreaktorin aineen93.3Fuusioituvan vetyplasman koossapito on vaikeaa103.4Fuusion edellytykset103.5Fuusioreaktio vaatii riittävän lämpötilan ja tiheyden sekä koossapitoajan 114FUUSIOREAKTORI124.1Lawsonin kriteeri134.2Fuusioreaktorityypit134.2.1Tokamak-reaktori134.2.2Stellaraattori-reaktori154.2.3Laserfuusio-reaktori154.3Plasman kuumentaminen165FUUSIOENERGIA166FUUSIO JA KYLMÄFUUSIO176.1Ponsin ja Fleischmannin kylmäfuusio176.2Mosier-Bossin kylmäfuusio18
6.3Muut kylmäfuusion tyypit187FUUSIOREAKTOREIDEN HISTORIA JA TULEVAISUUS198ITERIN HISTORIA JA KÄYTTÖ218.1ITER numeroina228.2ITERin komponentit238.2.1Tokamak238.2.2Ulkoiset järjestelmät358.3ITERin tavoitteet449FUUSIOVOIMA JA ILMASTONMUUTOS4410FUUSION HYÖDYT JA HAITAT4511FUUSION TULEVAISUUS4612YHTEENVETO47LÄHTEET48
11     JOHDANTOAurinko, kuten muutkin tavalliset tähdet, tuottaa energiansa fuusioimalla ve-tyä heliumiksi. Tämän prosessin ensimmäisen vaiheen vaikutusala on hyvinpieni, minkä ansiosta aurinko kuluttaa vetypolttoainettaan sen verran hitaas-ti, että sitä riittää noin kymmeneksi miljardiksi vuodeksi.Fuusioreaktori on reaktori, joka tuottaa energiaa ydinfuusion avulla. Tavalli-simmassa fuusioreaktioissa vety yhdistyy heliumiksi ja tuottaa energiaa.Fuusioreaktorin sanotaan olevan turvallisempi kuin nykyisin käytössä olevatfissioon perustuvat ydinreaktorit. Ydinfuusio tuottaa suuria energiamääriäfuusioituvaa ainekiloa kohden, ja fuusioituva aine vety on maailmankaikkeu-den yleisin alkuaine.Tässä insinöörityössä tutkitaan, miten fuusioreaktio saataisiin aikaan maanpäällä. Työssä tutkitaan kolmea eri vaihtoehtoa fuusion aikaan saamiseksi.Vaihtoehtoja verrataan tehojen tarpeella, eli kuinka paljon tietty fuusioreaktiotarvitsee tehoa saadakseen lämpötilan tarpeeksi korkeaksi. Alin lämpötila onparas vaihtoehto.Työssä käydään läpi muutamia fuusioreaktoreita, ja mikä niistä sopisi par-haiten fuusiovoimalan fuusioreaktoriksi. Vaihtoehtoja on kolmea eri tyyppiä.Jokaisesta fuusioreaktorista selvitetään taustaa sekä siitä, miten fuusioreak-torit toimisivat.Työssä tarkastellaan ITER (International Thermonuclear ExperimentalReactor)-reaktorin komponentteja. ITERin ulkoiset ja sisäiset järjestelmät.Tarkastelussa on myös fuusioreaktorin edut ja haitat sekä historia ja tulevai-suus.
22     FUUSIOTUTKIMUSFuusioon tarvittavat lämpötila ja tiheys on saavutettu. Samoin plasman pitä-minen koossa onnistuu kohtalaisen hyvin. Ongelma fuusiokokeiluissa on ol-lut plasman ns. yliläikkyminen magneettisesta pullosta. Tutkimuksessa onpyritty hitaasti yhä parempiin teholukemiin, mutta reaktorista on saatu vainhetkellisesti enemmän tehoa, kuin reaktion ylläpitämiseen on vaadittu.Fuusiota on pystytty tähän asti pitämään käynnissä vain muutamia sekunte-ja. Kaikki rakennetut laitteet ovat olleet vasta koelaitteita. Fuusiokokeilleominaista on ollut, että yhden ongelman ratkaiseminen synnyttää uusia on-gelmia. Todellisen reaktorin oloja ei ole tutkittu. Tutkimuksen painopiste onsiirtymässä reaktorimateriaaleihin.Reaktorin pintamateriaalien tulisi kestää kovaa kuumuutta ja neutronisätei-lyä, ja kuitenkin jäähdytyksen olisi toimittava hyvin pitkiä aikoja. Samalla kunreaktorin pintamateriaali hehkuu kovassa kuumuudessa, sen käämien olisipysyttävä noin 200 pakkasasteessa suprajohtavuuden säilyttämiseksi.Litiumvaippa jäähdyttää reaktorin sisäpinnan. Monet ehdotetut materiaalitovat joko nopeasti lämmössä ja säteilyssä kuluvia, hidastavat pieninä määri-nä hiukkasina leijuessaan fuusioreaktiota tai muuttuvat reaktorin säteilyssähelposti radioaktiivisiksi. /1./2.1     Tähtien   energialähdeFuusio on auringon ja muiden tähtien energianlähde. Kevyet atomiytimet yh-distyvät raskaammiksi ja samalla vapautuu energiaa. Auringon keskustassavallitseva valtava paine ja noin 10 miljoonan asteen lämpötila tekevät fuusio-reaktiot mahdollisiksi.Korkeassa lämpötilassa kaasusta tulee plasmaa, jossa elektronit ovat täysinirtaantuneet atomiytimistä (ioneista). Plasma on aineen neljäs olomuotoomine erityispiirteineen, jota tutkiva tieteenala on plasmafysiikka. Vaikkaplasma on maapallolla harvinainen olomuoto, yli 99 % maailmankaikkeudentunnetusta materiasta on plasmatilassa.
3Maan päällä ei ylletä auringon sisäosien paineeseen, ja lämpötila onkin nos-tettava yli 100 miljoonaan asteeseen, jotta fuusioenergiaa voi vapautua mer-kittäviä määriä. Näin korkeiden lämpötilojen saavuttaminen edellyttää teho-kasta plasman kuumennusta ja lämpöhäviöiden minimoimista eristämälläplasma-astian seinämistä.Tämä voidaan tehdä vangitsemalla plasma voimakkaista magneettikentistämuodostuvaan toroidaaliseen häkkiin, joka estää sähköisesti varattuja plas-mahiukkasia pakenemasta. Magneettinen koossapito on pisimmälle kehitty-nyt fuusioteknologia, johon Euroopan fuusiotutkimusohjelmassa on keskityt-ty. /2. s. 10./2.2     Fuusiotutkimuksen  tila  kymmenen  vuotta  sittenFuusiotekniikkaa on tutkittu 1950-luvulta lähtien. Euroopan tunnetuimmassafuusiolaitteessa JETissä (Joint European Torus)  saatiin 1991 noin 1 mega-watti 2 sekunnissa, mutta energiankulutus oli 15 megawattia. Tämä tulos olihuomattavasti parempi kuin 70-luvulla, jolloin toiveet fuusiosta ennen vuotta2000 olivat jo hiipuneet.1994 USA:ssa tuotettiin 10,7 megawattia yhden sekunnin ajan satojen me-gawattien kulutuksella. Edistys on ollut aikaisemmasta valtavaa: 1970-luvullasaatiin fuusiokokeissa ulos vain watin tuhannesosia. Kaikkien aikojen kestä-vin fuusioreaktio on mitattu ranskalaisessa koereaktorissa: kuusi ja puoli mi-nuuttia.Fuusioreaktorin tekniikka on osoittautunut odotettua vaikeammaksi. Lisäksitutkijoiden on ollut vaikeaa saada rahoitusta tutkimuksilleen niiden hitaanetenemisen ja pitkän aikajänteen takia. /1./
42.3     Fuusioenergia   tuotantoEnsimmäisen polven fuusioreaktorien kehitystyö perustuu kahden vedyn iso-toopin, deuteriumin (D) ja tritiumin (T) väliseen reaktioon. Muut reaktiot vaa-tivat korkeamman lämpötilan. Deuterium on luonnossa esiintyvä ei-radioaktiivinen isotooppi, jota saadaan vedestä keskimäärin 35 grammaakuutiometriä kohden. Tritiumia ei esiinny luonnossa, joten sitä tuotetaan fuu-sioreaktorin sisällä litiumista, joka on kevyt, maankuoressa runsaana esiinty-vä metalli. Jokainen fuusioreaktio tuottaa alfa-hiukkasen (heliumin) ja suu-rienergisen neutronin.Neutronit karkaavat plasmasta ja hidastuvat plasmaa ympäröivässä vaipas-sa. Siellä litiumia muuntuu tritiumiksi, joka kierrätetään takaisin plasmakam-mioon polttoaineena. Neutronien vapauttamalla lämmöllä voidaan tuottaahöyryä, joka pyörittää turbiineja sähkön tuottamista varten. Vain pieni kuor-ma-autolastillinen polttoainetta riittää tuottamaan sähköä vuodeksi noin mil-joonan asukkaan kaupungille. /2. s. 11./2.4     Fuusion   turvallisuusFuusioreaktori on kuin kaasupoltin, jossa sisään syötetty polttoaine palaa.Reaktorin sisällä kerrallaan olevan polttoaineen määrä on hyvin pieni (suun-nilleen 1 gramma DT-polttoainetta/1 000 m3), ja jos polttoaineen syöttö jos-takin syystä keskeytyy, fuusiopalo jatkuu vain muutaman sekunnin ajan.Mikä tahansa häiriötilanne reaktorissa aiheuttaa plasman nopean jäähtymi-sen ja fuusiopalon sammumisen. Fuusion peruspolttoaineet, deuterium ja li-tium, sekä reaktiotuotteena syntyvä helium eivät ole radioaktiivisia. Litiumistasyntyvä välituote, tritium, hajoaa suhteellisen nopeasti (sen puoliintumisaikaon 12,6 vuotta), ja hajoamisessa syntyvällä elektronilla on hyvin pieni ener-gia. Ilmassa tämä elektroni voi kulkea vain muutaman millimetrin, eikä se lä-päise edes paperiarkkia.Tritium on kuitenkin haitallista, jos sitä pääsee elimistöön. Siksi fuusio-reaktoriin on suunniteltu omat järjestelmät tritiumin turvallista käsittelyä var-ten. Fuusiovoimalaitokseen ei tarvitse kuljettaa säännöllisesti radioaktiivistapolttoainetta, koska fuusioreaktiossa tarvittava tritium tuotetaan paikan pääl-lä reaktorissa. /2. s. 12./
52.5     Fuusion   ympäristövaikutuksetFuusioreaktioista vapautuva energia käytetään sähkön tuottamiseen, teolli-suuden prosessilämmöksi tai mahdollisesti vedyn tuottamiseen. Fuusiovoi-mala tulee tarvitsemaan hyvin vähän polttoainetta. Fuusiolaitos, jonka säh-köteho on 1 gigawattia, tarvitsee vuodessa noin 100 kilogrammaa deute-riumia ja kolme tonnia luonnon litiumia tuottaen noin 7 miljardia kilowattitun-tia.Kivihiilellä toimiva voimala, ilman hiilidioksidin talteenottoa, tarvitsee noin 1.5miljoonaa tonnia polttoainetta tuottaakseen saman määrän energiaa! Fuu-sioreaktorit eivät tuota kasvihuonekaasuja tai muita päästöjä, jotka voisivatvahingoittaa ympäristöä tai aiheuttaa ilmastonmuutoksia. Fuusioreaktiossasyntyvät neutronit aktivoivat plasman ympärillä olevia materiaaleja.Reaktorin sisäosien materiaalien huolellinen valinta mahdollistaa sen, ettänoin sadan vuoden kuluttua voimalan lakkauttamisesta niitä ei enää tarvitsevalvoa ja ne voidaan myös mahdollisesti kierrättää. Näistä syistä fuusiovoi-maloiden jäte ei ole taakka tuleville sukupolville. /2. s.13./2.6     Fuusiotutkimuksen   edistysaskeleetCulhamissa Englannissa sijaitseva eurooppalainen JET-Tokamak (Joint Eu-ropean Torus) on maailman suurin fuusiolaite ja voi nykyisin ainoana maail-massa käsitellä DT-polttoaineseosta. JET on saavuttanut kaikki alkuperäisettavoitteensa ja on joissain tapauksissa ylittänytkin ne. Fuusiotehon maail-manennätys 16 megawattia saavutettiin sillä vuonna 1997.Euroopassa on lukuisia tärkeitä koelaitteita, joilla luodaan fuusiotutkimuksenetenemiseen vaadittavaa perustietoa. Ranskalaisella Tore Supra -Tokama-killa, jolla tutkitaan fuusiolaitteiden jatkuvatoimisuutta, on saavutettu yksi lä-hivuosien merkittävistä tuloksista: vuonna 2003 sillä tehtiin ennätyspitkä suu-ritehoinen purkaus, kuusi ja puoli minuuttia. Plasman ylläpitoon syötettiin tä-nä aikana yli yksi gigajoule energiaa, joka myös piti poistaa lämpönä (1 000miljoonaa joulea, riittävästi kiehuttamaan kolme tonnia vettä). /2. s. 14./