Fuusioenergiasta - 24.9.2001 Tulosta

EU:n tieteen ja tutkimuksen kuudes puiteohjelma on parhaillaan parlamentin käsittelyssä, ja siihen liittyen esillä on myös kansainvälisen fuusiotutkimusohjelman rahoitus. Asiasta äänestetään ITRE-valiokunnassa lokakuun alussa. Tässä lyhyt johdatus asiaan.

Aurinko toimii fuusioperiaatteella. Kovassa kuumuudessa atomien ytimet yhtyvät. Siinä prosessissa vapautuu energiaa joka suuntaan maailmankaikkeutta, ja meille maapallolle se tulee muun muassa näkyvänä auringon säteilynä. Se on elämän välttämätön edellytys.
Fuusiovoimala olisi laitos, jossa ihmisten valmistamissa rakennelmissa tuotettaisiin keinotekoisesti auringon sisäosia vastaavat olot niin että deuterium- ja tritium-alkuaineiden ytimet voisivat yhdistyä ja vapauttaa energiaa ihmiskunnan vapaaseen käyttöön.
Nettoenergiaa voitaisiin tällä tavalla saada aikaan ehkä 50 vuoden kuluttua.
Tämän sukupolven, joka käyttää holtittomasti uusiutumattomia energiavaroja, tulee investoida fuusioenergiaan. Jos onnistutaan rakentamaan fuusiovoimaloita, lapsenlapsenlapsilla on 50 vuoden kuluttua käytössä energiaa öljyn, kaasun ja hiilen korvikkeeksi. Muuten ei varmaankaan ole.

Fuusiovoimalle olisi käyttöä

Tällä vuosisadalla maailman energiankulutuksen ennustetaan kolminkertaistuvan. Ei tiedetä, miten se tuotetaan. Maapallon energiatulevaisuus on hämärän peitossa.
Kun fossiiliset polttoaineet käytetään puolen vuosisadan kuluessa lähes loppuun (hiiltä lukuun ottamatta), tarvitaan muita energiamuotoja.
Uusiutuvia energialähteitä ovat muun muassa auringonvalo, tuulivoima, aaltovoima, vesivoima, maalämpö sekä biomassa.
Parhaimmassakin tapauksessa näillä keinoin voidaan tuottaa vain puolet ihmiskunnan tarvitsemasta energiasta. Samasta maapohjasta uusiutuvan energiantuotannon kanssa kilpailee ruuan tuotanto. Nälkä kasvaa, kun maapallon väkiluvun ennustetaan tällä vuosisadalla kaksinkertaistuvan.
Perinteinen ydinvoima, jota tuotetaan físsiolla eli atomien halkaisulla, ei ole kestävä ratkaisu yhteiseen ongelmaan. Uraanipolttoainetta ei riitä kaikille. Lopputuloksena syntyvä käytetty ydinpolttoaine on yksi maailman vaarallisimmista radioaktiivisista aineista, kun se pitää eristää luonnon kiertokuluista sadan tuhannen vuoden ajaksi.
Fuusiovoima olisi hyvä ratkaisu, jos sitä varten onnistutaan kehittämään teknologia. Polttoaineista deuterium on veden ainesosa ja tritiumia voidaan tehdä litium-metallista. Näitä polttoaineita riittää kaikille tuhansiksi vuosiksi, ja ne ovat jakautuneet tasaisesti maapallolla. Prosesseissa ei synny polttoainejäteongelmaa. Laitteet tosin tulevat kyllä radioaktiivisiksi noin sadan vuoden ajaksi, mutta se on siedettävä aika tämän ongelman hallintaan.
Fuusiovoimaloissa tuotettaisiin ilmastoystävällistä energiaa.
Grammassa fuusiopolttoainetta on yhtä paljon energiaa kuin kymmenessä tonnissa fossiilista, ja fuusiovoimalassa prosessiin syötetään kerrallaan vain muutama gramma. Kun prosessissa tarvitaan sen käynnissä pitämiseksi yli sadan miljoonan asteen kuumuus, mikä tahansa häiriö jäähdyttää heti prosessin eikä se pysy käynnissä. Fuusio toimii näin ollen aivan toisin kuin fissio. Minkään vahingon lopputulos ei voi olla uusi Tshernobyl.

Fuusiovoimalan toimintaperiaate

Keveiden alkuaineiden atomien ytimillä on sama positiivinen sähkövaraus, ja maan päällä normaalioloissa ne hylkivät toisiaan.
Auringossa on erilaiset olot. Siellä on niin kuuma, että kaikki aine ja energia on samaa soppaa, jota kutsutaan plasmaksi. Se on niin kuumaa, että ytimien toinen toistensa hylkiminen plasmassa lakkaa ja niiden yhtyessä vapautuu energiaa. Auringolla on niin valtava massa, että sen aikaansaama gravitaatio pitää kaiken siihen kuuluvan aineen koossa, paitsi että energiaa karkaa joka puolelle avaruuteen.
Fuusioiden aikaansaamiseksi keinotekoisesti tarvitaan aurinkoon verrattuna moninkertainen kuumuus: yli 100 miljoonan asteen lämpötila. Sellaisessa kuumuudessa aine käyttäytyy kuin plasma. Kun gravitaatio ei pidä sitä koossa, tarvitaan avuksi sähkömagneettisia voimia.
Tiedemiehet ja insinöörit ovat jo pystyneet tuottamaan koelaitteissa auringon olosuhteet. On saavutettu tarvittava lämpötila ja aineen tiheys ja on pystytty pitämään plasma koossa tietyn aikaa. Näitä fuusioenergian tuotannon välttämättömiä edellytyksiä ei ole vielä saavutettu kaikkia yhtä aikaa.
Fuusiota jäljittelevistä laitteista parhaat tulokset on saavutettu EU:n jäsenmaiden ja niiden yhteistyökumppaneiden yhteisessä tokamakissa Englannin Culhamissa laitteessa nimeltä JET (Joint European Tourus). Se on pieni, läpimitaltaan muutaman metrin suuruinen kattila, jonka sisällä on munkkirinkilän (tourus) muotoon ladottuja magneetteja. Tässä laitteessa on tuotettu sadan miljoonan asteen lämpötila ajamalla plasman synnyttävässä kaasussa suurta sähkövirtaa ja lämmittämällä seosta ulkoisesti. Magneetteja tarvitaan plasman koossapitämiseen niin ettei lämpö karkaa hiukkasten törmäilyissä laitteen seinämiin.

Kansainvälinen yhteistyö

JET on yhteisyritys, jonka rakentamisesta Culhamiin päätettiin yli 20 vuotta sitten. Toiminta on rahoitettu ja fuusiotutkimusta on tehty yhteisesti.
Kun JET-laitteella on saavutettu tavoitellut tulokset, projekti on nyt saatettu loppuun. On edettävä seuraavaan NEXT STEP-vaiheeseen.
Se on uusi koereaktori, jonka avulla halutaan osoittaa, että fuusion käyttö energian tuotannossa on mahdollista. Jos kokeet onnistuvat, sen jälkeen voidaan rakentaa näytevoimala (DEMO). Kaupallinen energiantuotanto, jossa energiaa tuotetaan enemmän kuin sitä kuluu lämpötilan nostamiseen, on nykyisellä kehitysvauhdilla mahdollista vasta ehkä 50 vuoden kuluttua.
Ei ole lainkaan varmaa, että maan päälle onnistutaan tuottamaan tekoaurinkoja energiantuotantoa varten. Fuusiotutkimus on kuitenkin edennyt myönteiseen suuntaan, ja sivutuotteena on syntynyt paljon korkeaa teknologiaa ja uusia keksintöjä.
Kustannukset fuusion tutkimisessa ovat valtaisat. Eurooppalaiseen fuusioprojektiin on tähän mennessä käytetty varoja noin 60 miljardia markkaa, ja nykyisin siihen käytetään runsaat 2,5 miljardia markkaa vuodessa. EU maksaa siitä noin 40 % tieteen ja tutkimuksen puiteohjelman varoista ja jäsenmaat (sekä ohjelmaan assosioituneet maat) loput. Suomen osuus on ollut noin 20 miljoonaa markkaa vuodessa.
Edistyminen on ollut melko hidasta. Suurin syy on rahan puute. Maat eivät ole olleet valmiita uhraamaan tarvittavia summia tähän puolen vuosisadan mittaiseen hankkeeseen, jossa lopputulos on vielä epävarma.
Alustavien laskelmien mukaan fuusiovoimala olisi taloudellisesti kannattava: polttoaine on halpaa eivätkä ulkoiset kustannukset yllätä. Teknologiaa ei kuitenkaan vielä osata, eivätkä yksityiset yritykset investoi rahaa puolen vuosisadan tähtäimellä.
Siksi EU:n on osoitettava fuusiotutkimuksen käyttöön nämä rahat! Meillä, jotka kulutamme tulevilta sukupolvilta maapallon energiavarojaan, ei ole oikeutta olla tutkimatta tätä vaihtoehtoa.

Kansainvälinen yhteisprojekti

Maailman maat ovat yhdistämässä voimavaroja alalla, ja fuusiotutkimus on maailman laajin tieteellinen yhteistyöhanke.
JET-yhteistyön lopun ollessa näköpiirissä solmittiin vuonna 1992 EDA-sopimus (Engineering Design Activities), jonka mukaan fuusiokumppanuusmaat olivat valmiita käyttämään 6 miljardia markkaa JET-projektin jälkeen tarvittavan uuden koelaitteen ITER:in yksityiskohtaiseen suunnitteluun. Mukana olivat EU (Euratom), Japani, Venäjä ja USA. Sittemmin USA on - sotilaallisista ja itsekkäistä syistä - jättäytynyt muiden kelkasta.
Vuonna 1999 solmittiin EFDA-sopimus (European Fusion Development Agreement), jossa asetettiin tavoitteeksi jatkaa JET-tokamakin toimintaa niin kauan kuin vanhasta laitteesta saadaan irti uutta tietoa, kehittää uusi laite ITER-FEAT (Fusion Energy Advanced Tokamak) sekä tehdä teknologiayhteistyötä fuusion eri osa-alueilla.
Uuden koelaitteen kustannukset ovat noin 40 miljardia markkaa. Sellaiselle summalle ei ole löytynyt maksajia, ja sen takia tavoitetta on supistettu. Nyt ollaan valmiita tulemaan toimeen 24 miljardilla markalla. Rahapula lisää fuusioenergian käyttöönsaamiseen menevää aikaa. Uuden laitteen rakentamispäätöksestä menee 8 vuotta siihen hetkeen, jolloin siinä päästään suorittamaan kokeita plasmalla.
Kustannusten jakautuminen maiden kesken riippuu uuden laitteen sijoituspaikasta. Euroopalla on intressejä rakentaa laite johonkin EU-maahan (Englannin ohella Ranska on kiinnostunut isännyydestä), sillä Euroopassa on alan johtavat tiedeyhteisöt ja alan tutkijat halutaan pitää omalla mantereella. Kanada ja Japani ovat myös valmiita ottamaan laitoksen maaperälleen ja rahoittamaan sitä, ja jos EU ei anna tarpeeksi rahaa projektin käyttöön, se menee jompaan kumpaan näistä maista. Riippumatta paikasta tulokset saadaan kaikkien käyttöön. 
Europarlamentin käsittelyssä olevassa tieteen ja tutkimuksen kuudennessa puiteohjelmassa annetaan varoja fuusiotutkimukseen. Projekteja ei ajeta alas, mutta näyttää siltä, että uusi koelaite ei saa riittävästi varoja alan täysimittaiseen tutkimustoimintaan. Pitäisi saada.