Askel kohti ehtymätöntä energiaa: Fuusioreaktio onnistui paremmin kuin koskaan
Ihmiskunnan ongelmia fuusioenergia ei kuitenkaan ratkaise ehkä koskaan.
Huolet ilmastonmuutoksesta ja kysymykset energiantuotannosta jäisivät historiaan, jos ihmiskunta oppisi käyttämään auringon ydinreaktiota – kahden vety-ytimen fuusiota heliumytimeksi – hallitulla tavalla sähkön tuottamiseksi myös maan päällä.
Vanhan vitsin mukaan toimiva fuusioreaktori siintää tulevaisuudessa 20 vuoden päässä – myös 20 vuoden päästä. Joissakin vitsin varianteissa fuusiovoimalat tuottavat sähköä kaupallisesti aina 50 vuoden päästä.
Vaikka tekninen haaste on mahdottoman suuri, eteenpäin on menty.
Nyt Lawrence Livermore -laboratoriossa Kaliforniassa on otettu merkittävä edistysaskel laserfuusiossa. Nature-lehti julkaisi nyt artikkelin valtavassa National Ignition Facility -laitoksessa (NIF) viime syksynä tehdystä kokeesta, jossa alle senttimetrin läpimittainen polttoainekapseli tuotti fuusioreaktiossa enemmän energiaa kuin se vastaanotti 192 huipputehokkaasta laserlähteestä.
Fuusioreaktioon tarvitaan vedyn harvinaisia isotooppeja deuteriumia ja tritiumia. Deuteriumissa on yhden protonin lisäksi yksi neutroni, tritiumissa kaksi. Reaktiossa syntyy heliumydin, jossa on kaksi protonia ja kaksi neutronia, sekä yksi ylimääräinen neutroni – ja valtavasti energiaa.
Lasersäteet kohdistavat polttoainepellettiin 1,8 megajoulea energiaa äärimmäisen kontrolloituna pulssina, joka kestää alle 20 nanosekuntia. Polttoainekapseliin osuva näkyvän valon lasersäteen energia muuttuu röntgensäteilyksi.
Häviöt ovat suuria: energiasta noin 85 prosenttia menee hukkaan.
Loput 15 prosenttia energiasta puristaa kiinteään olomuotoon jäähdytettyä vetyä hurjaan paineeseen. Plasmaksi ionisoitu vety yhtyy heliumytimiksi.
Pulssin energiamäärä on hyvin käsitettävä. Se on puoli kilowattituntia, sen verran kuin pieni sähkökiuas kuluttaa noin kymmenessä minuutissa.
Mutta kun pulssi on todella lyhyt, sen teho on lähes käsittämätön, samaa luokkaa kuin sadantuhannen ydinvoimalan yhteisteho. Hetkittäisesti laserin teho nousee jopa 500 terawattiin.
Polttoaineen pitäisi saavuttaa noin sadan miljardin ilmakehän paine, jotta fuusioreaktio varsinaisesti käynnistyisi ja tuottaisi merkittävästi paljon enemmän energiaa kuin reaktion käyntiin tuikkaavaan laserpulssiin tarvitaan. Paine jäi tässä vielä tuhannesosaan fuusioreaktion käynnistämiseen tarvittavasta paineesta.
Fuusion käynnistämiseksi polttoaine on puristettava kasaan mahdollisimman symmetrisesti ja nopeasti, jopa satojen kilometrien sekuntivauhtia. Ideana on paineen synnyttäminen kuumentamatta polttoainetta liikaa.
Syksyisissä kokeissa fuusioenergiaa syntyi kymmenen kertaa enemmän kuin aiemmilla yrittämillä. Parhaimmillaan fuusio tuotti 17 kilojoulea – määrän, joka riittäisi älypuhelimen lataamiseen.
Se on hieman enemmän kuin energia, joka puristi polttoainetta valtavaan paineeseen, mutta koska laserin energiasta 85 prosenttia menee hukkaan, saanto ei vielä ylittänyt laserpulssin energiamäärää.
Varsinaisen fuusion käynnistymiseen niin, että fuusion tuottama energia ylittäisi reippaasti energiapanoksen, menee kuitenkin vielä aikaa. Eikä ole alkuunkaan varmaa, onnistuuko se koskaan NIF-laitoksessa.
Tämän maailman suurimman laserin rakentaminen aloitettiin 1997, ja ensimmäiset testit itse laser-laitteistolla aloitettiin 2009.
Fuusioenergian kehittäminen on yksi kalleimmista julkisesti rahoitetuista tiedehankkeista. On epävarmaa, tuleeko siitä koskaan ratkaisua ihmiskunnan energiaongelmiin.
Vaikka fuusio tarjoaisi eräässä mielessä lähes rajattoman energianlähteen, ei sen tuottama sähkö olisi välttämättä sen edullisempaa kuin tulevaisuuden aurinkosähkö.
Vedyn isotoopeista deuteriumia saa vedestä elektrolyysillä, mutta tritiumin valmistaminen on kalliimpaa. Helpoimmin sitä saa litiumista fissioreaktoreissa. Fuusioreaktio kahden deuteriumytimen välillä on teoriassa mahdollista, mutta sellainen olisi vielä vuosikymmeniä kauempana.
Fuusio ei siis ratkaise puhtaan energian tarpeisiin lähivuosikymmeninä. Jos kaupallinen fuusioreaktori joskus valmistuu, se ei välttämättä enää kykene hintakilpailuun silloisten uusiutuvien energiateknologioiden kanssa.