Dipolissa järjestettiin 21. lokakuuta ajankohtainen yleisöluento maailmankaikkeutemme tärkeimmän energiamuodon suorista maanpäällisistä sovelluksista. Luennoimassa oli teknillisen fysiikan osaston professori Rainer Salomaa.

Aluksi Salomaa kävi läpi perusenergiataloudellisia tosiseikkoja. Maailman energiantarve kasvaa. Tämä siksi, koska väestö kasvaa ja samalla myös henkilökohtainen elintaso. Samalla perinteiset energiavarat ovat vähitellen ehtymässä. Öljy ja kaasu loppuvat ensimmäisenä. Hiiltä riittää pitkäksi aikaa, mutta suuret päästöt tullevat rajoittamaan sen käyttöä. Uraanin riittävyys paranee huomattavasti vasta, kun siirrytään käyttämään hyötöreaktoreita, jotka ovat olleet länsimaissa epäsuosiossa. Tilannetta pahentaa se, että kulutus on keskittynyt länsimaihin, kun taas esimerkiksi lähes kaikki hyödyntämättömät öljyvarat ovat Lähi-idässä. Maailman väestö on puolestaan paljolti painottunut Kiinaan, Intiaan ja Kaukoidän maihin. Kehitysmaiden väestö koostuu nuorista, mikä lisää syntyvyyttä, energiantarvetta ja levottomuutta. Vuonna 2050 väestön ennustetaankin kaksinkertaistuneen ja energiankulutuksen kolminkertaistuneen. Tässä tilanteessa voi esittää kysymyksen: miten turvata rauha ja energian riittävä saanti?

Fuusio on yksi vaihtoehto hyvien vaihtoehtojen perin harvassa joukossa. Ydinreaktioitahan on olennaisesti kaksi erilaista, fissio ja fuusio. Näistä fuusio on saatu toteutettua käytännöllisesti vain fuusiopommeissa, joissa tavallinen ydinpommi puristaa ja kuumentaa vedyn isotooppeja. Helpoiten toteutettava fuusioreaktio on vedyn kahden raskaimman isotoopin eli deuteriumin ja tritiumin välinen. Se tuottaa Helium-4:n ja neutronin. Neutronilla voidaan saada litiumista lisää tritiumia, jota ei luonnosta löydy, koska se on radio-aktiivinen vain noin 12 vuoden puoliintumisajalla.

Toisin sanoen gramma näitä aineita tuottaa 93500 kWh lämpöä ja 94 kilolla käyttäisi jo isoa, lämpöteholtaan yhden gigawatin voimalaa koko vuoden. Fuusioreaktoreissa kuuma, harva deuterium-tritiumpolttoaine on plasmatilassa. Plasma on yksi aineen olomuodoista, se on täysin tai osittain ionisoitunutta kaasua. Polttoaineen lämpötilan tulisi olla ainakin 100 miljoonaa astetta. Kun reaktion tuottama lämpö on enemmän kuin ulkopuolinen kuumennus, puhutaan plasman syttymisestä. Rajatapaus, jossa ne ovat yhtä suuret, kantaa englanninkielistä nimeä breakeven.

Fuusioenergian tuottamiseen on tällä hetkellä työn alla kaksi vaihtoehtoa. Magneettinen koossapito on erityisesti Euroopassa tutkittu lupaavampi vaihtoehto. Inertiaalikoossapito on jenkkien tutkima vaihtoehto, jossa laserit puristavat ja kuumentavat pieniä Deuterium-tritium-jäästä tehtyjä palloja ja tuottavat siten ”mikroräjähdyksiä”. Magneettisessa koossapidossa plasmaa kuumennetaan sekä neutraalisuihkuilla eli noin 1 MeV:n nopeuksisten hiukkasten suihkulla että radiotaajuuskuumennuksella.

Riittääkö tieto-taito? Tieteellisesti fuusiovoimalat on jo osoitettu toteutettaviksi, mutta entä teknillis-taloudellisesti? Onhan myös fissio jumiutunut taloudellisen kilpailukyvyn ja poliittisen toteutettavuuden aiheuttamiin haasteisiin.

Eurooppalainen fuusiotutkimus tähtää nyt toimivaan reaktoriin. JET (Joint European Torus) on Englannissa toimiva fuusiokoelaitos. Siinä on tavalliset kuparimagneetit, joten niiden ylikuumenemisen takia se voi toimia enintään 20 sekunnin jaksoissa. Se kuluttaa 380 MW tehoa toimiessaan. JET on päässyt lähelle Breakeveniä, mutta todelliseen fuusiopaloon sillä ei pystytä. Fuusioreaktoriksi se on muuten aito, paitsi että siinä on juuri ne kuparimagneetit, ja se tarvitsee jatkuvaa ulkopuolista kuumennusta. Oma alfakuumennus ei riitä, koska JET on kooltaan liian pieni. JET:in lisäksi on toisenkin tyyppisiä magneettisen koossapidon reaktoreita, stellaraattoreita, rakennettu muun muassa Saksaan, mutta niiden suorituskyky ei ole ollut läheskään samaa luokkaa. JETin edustama Tokamak-tyyppi on tieteellisesti toimivaksi osoitettu. Seuraava askel olisi sen teknisen toimivuuden osoittaminen ITER:illä, jonka teho tulee olemaan useita satoja megawatteja, kun JET:illä se oli 16 MW. Tavoitteena olisi saada yli kymmenkertainen fuusiovahvistus usean minuutin ajan. ITER maksaa noin 4 miljardia euroa ja sen teho tulisi olemaan 500MW. Oikea voimala se ei kuitenkaan vielä ole sillä siinä ei ole täyttä tritiumhyötöä ja ei sen puoleen sähköntuottoakaan. Vuoteen 2020 mennessä sen kuitenkin tulisi antaa vastaus kysymykseen Tokamak-reaktorien teknisestä toteutettavuudesta.

ITER-hankkeeseen osallistuvat muun muassa EU-maat, Venäjä, USA, Japani ja Etelä-Korea. Suurimman osan hankkeen kuluista maat hoitavat toimittamalla tarvittavat osat reaktoriin. Tällä hetkellä kiistellään siitä rakennetaanko ITER Euroopan Cadaracheen vai Japanin Rokkashoon. Hanke on ollut vireillä jo 80-luvulta asti, mutta sen eteneminen on vaihdellut poliittisten suhdanteiden mukaan. Tällaisen suuren tiedehankkeen eteneminen on kiinni vain tahdosta. Loppujen lopuksi hanke ei ole sen kalliimpi kuin esimerkiksi yksi tavallinen USA:n lentotukialus.

Suomessa tutkimuksen rahoitus hoidetaan keskitetysti TEKESin teknologiaohjelman ”Fusion 2003–2006” kautta. Teknillinen ohjelma on nimeltään Fusion 2003–2006. Toiminta on integroitu osaksi suurempaa EU-ohjelmaa. Tutkittavat alueet ovat teoreettinen fuusioplasmatutkimus ja tekniikan osalta reaktorin ensiseinämät, robotiikka, materiaalit ja tietysti ITER. Suomalaisesta teollisuudesta esimerkiksi maailman johtavalla suprajohdevalmistaja Outokummulla on mahdollisuus päästä toimittamaan materiaalit suprajohtaviin magneetteihin, jotka ovat reaktorin kalleimpia osia. Fuusioreaktorin pohjassa oleva diverttori, jota kautta syntynyt helium poistuu, pitää vaihtaa aika-ajoin ja tätä testataan Tampereella 2006.

Professori Salomaan luento kesti itsessään vain runsaan tunnin, mutta yleisön kysymykset veivät melkein toisen mokoman. Professori ilmaisi kyselijöille muun muassa hienovaraisesti, että niin sanottu kylmäfuusio lienee täyttä huijausta. Luennon jälkeen olo oli asian suhteen hieman pessimistinen ja synkkä. Mieltä kohottaakseni jatkoin mietiskelyä omista lähtökohdistani:

Kylmäfuusio on todella mahdollinen - hiukkaskiihdyttimillä. Tosin se nyt ei liene energiantuotannollisesti kovin hedelmällinen lähtökohta. Hiukkaskiihdyttimissä kun asiat tapahtuvat aika pienessä mittakaavassa ja silti kiihdyttäminen on tehotonta ja paljon energiaa kuluttavaa.

Todellinen unelmien täyttymys fuusioreaktoreissa olisi sellainen deuteriumia (myöhemmin vaikka protonejakin) fuusioiva rinkula, jossa kuumaa heliumplasmaa voisi erottaa kierrosta ja ohjata magneettikanavaa ulos. Valtavasta lämpötilaerosta johtuen voimala antaisi termodynaamisesti käytännössä 100 % hyötysuhteen muuntajan tyyppisillä ”magnetohydrodynaamisilla generaattoreilla”. Tämä tarkoittaisi, että voimala saisi maksaa 2,5-kertaisesti suunniteltuihin, tavallisia höyryturbiineita käyttäviin fuusiovoimaloihin verrattuna. Se olisi myös D-T-fuusiota yksinkertaisempi ja puhtaampi, sillä neutroneita ei synny eikä niitä tarvitakaan, joten hyötövaipat ja tritiumkäsittely jäävät kokonaan pois. Kaikki tämä tarvitsee kuitenkin ennen kaikkea valtavan paljon parempia magneettien suprajohteita.

Fissio on erittäin helppo toteuttaa käytännössä, kun taas fuusion saaminen aikaan pienessä mittakaavassa maapallolla on yksi kaikkein vaikeimpia tehtäviä. Fission ainoa huono puoli fuusioon verrattuna on lyhytikäisten ja siksi voimakkaasti radioaktiivisten fissiotuotteiden syntyminen. Tämän ei tarvitse mielestäni välttämättä olla haitta. Monilla aineilla kuten kesiumilla ja strontiumilla kun voisi olla paljon nykyistä enemmän hyötykäyttöä lääketieteessä, tutkimuksessa ja teollisuudessa. Kaikesta huolimatta fuusio on huomattavasti parempi tutkimuskohde kuin lentotukialukset, hävittäjät ja muut sotatarvikkeet. Vaikean tutkimuksen sivutuotteena myös syntyy paljon muuta tekniikkaa hyödyttäviä materiaaleja ja ratkaisuja.