Paavo valmistui Aallosta diplomi-insinööriksi vuonna 2014 ja väittelee näillä näkymin kesällä tohtoriksi. 

Aiheenaan hänellä ovat fuusioplasmat, joiden käyttäytymistä hän mallintaa tietokonesimulaatioiden avulla.

"Erityisesti kiinnitän huomiota lämmön ja polttoainehiukkasten häviöitä muokkaavaan turbulenssin ja virtausten vuorovaikutukseen. Käytän pääasiassa täällä Aallossa kehitettyä simulointityökalua, jota ajetaan supertietokoneilla Suomessa ja maailmalla. Lisäksi teen yhteistyötä pietarilaisten tutkijoiden kanssa. Rahoituksen tutkimukselle saan eurooppalaisen fuusiotutkimuksen kattojärjestöltä Eurofusionilta."

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.

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!

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.

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.

...ulottuisivat suprajohtavat niobium-tina-säikeet, jotka tarvitaan ITER-koefuusioreaktorin munkkirinkilän muotoisiin magneetteihin. Alkujaan ITER-nimi oli lyhenne sanoista International Thermonuclear Experimental Reactor, mutta sittemmin nimen merkitykseksi on otettu latinankielisen sanan "iter" tarkoittama "polku" tai "tie". Ennen kuin ITER-säikeen tuotanto aloitettiin vuonna 2009, sitä valmistettiin maailmassa noin 15 tonnia vuodessa. Neljän vuoden rupeaman aikana sitä on tuotettu yli 400 tonnia, parhaimmillaan 150 tonnia vuodessa. Valmistus on hajautettu kuudella taholle: Kiinaan, Japaniin, Koreaan, Venäjälle, Yhdysvaltoihin ja Eurooppaan. ITER-projekti on ollut käynnissä vuodesta 1985 ja koereaktorin on määrä valmistua Ranskan Cadaracheen vuonna 2020. Tavoitteena on tuottaa fuusioreaktion avulla energiaa kymmenkertaisesti reaktorin toiminnan vaatimaan määrään verrattuna – tosin vain hetkellisesti.