Fuusioenergia tähdissä

Elämän muodostumiseen ja nyky-yhteiskunnan ylläpitämiseen tarvittava energia on pohjimmiltaan peräisin Auringossa tapahtuvista fuusioreaktioista. Ainoastaan ydinvoima ja geoterminen energia ovat Auringosta riippumattomia *energialähteitä.

Aurinko on muiden tähtien tavoin syntynyt gravitaatiovuorovaikutuksen seurauksena. Se vetää ainetta kasaan, ja tiheyden kasvaessa myös paine ja lämpötila kasvavat, ja aine muuttuu plasmaksi: erillisiksi atomiytimiksi ja elektroneiksi. Aineen kokoonpuristuminen jatkuu, kunnes lämpötila nousee niin korkeaksi, että hiukkasten lämpöliikkeen liike-energia voittaa ajoittain hiukkasten väliset sähköiset hylkimisvoimat. Tällöin fuusioreaktiot käynnistyvät ja niistä vapautuvan säteilyn paine tasapainottaa gravitaation kokoonpuristavan vaikutuksen. Fuusioreaktiot tapahtuvat Auringon ytimessä, jonka säde on noin neljännes koko Auringon säteestä. Fuusioreaktioissa vapautuva energia on peräisin massavajeesta. Energian suuruus lasketaan energian ja massan välisen yhteyden avulla. [[$ E=\Delta mc^2 $]]

Auringon ytimessä fuusioreaktioita tapahtuu ketjuna, jossa yksinkertaisimmista vety-ytimistä, protoneista, syntyy lopulta helium-4 atomiytimiä. Tällaista fuusioreaktioketjua kutsutaan protoni-protoni-ketjuksi. Ensimmäisessä vaiheessa kahdesta protonista syntyy kahden protonin muodostama heliumatomin ydin. Muodostunut heliumatomin ydin voi hajota takaisin protoneiksi, mutta sen on mahdollista beetahajoamisen kautta muuttua myös deuteriumiksi: vetyatomin ytimeksi, jossa on yksi protoni ja yksi neutroni. Tämä on kuitenkin harvinainen tapahtuma, minkä vuoksi Auringon kaltaisessa tähdessä fuusioreaktiot pysyvät käynnissä 10 miljardin vuoden ajan. Aika on riittävän pitkä oman aurinkokunnan kaltaisen elämän kehittymiseen.

[[$ \quad ^{1}_{1}\textrm{H}+{^{1}_{1}\textrm{H }}\rightarrow \textrm{ } ^{2}_{1}\textrm{H}+{_+}_{1}^{0}\textrm{e}+\nu $]]

Protoni-protoni-ketjun ensimmäisessä vaiheessa syntyy deuteriumydin beetahajoamisen kautta.

Seuraavassa vaiheessa deuteriumytimet fuusioituvat protonien kanssa kevyeksi heliumiksi, jossa on kaksi protonia ja yksi neutroni. Kevyet heliumit fuusioivat keskenään siten, että reaktiossa syntyy kahden protonin ja kahden neutronin muodostama heliumatomin ydin (helium-4-atomin ydin) sekä kaksi irrallista protonia.

[[$ \quad ^{2}_{1}\textrm{H}+{^{1}_{1}\textrm{H }}\rightarrow \textrm{ } ^{3}_{2}\textrm{He}\\ \, \\ \quad ^{3}_{2}\textrm{He}+{^{3}_{2}\textrm{He }} \rightarrow \textrm{ } ^{4}_{2}\textrm{He}+{^1_1}\textrm{H}+{^1_1}\textrm{H} $]]

Protoni-protoni-ketjun jälkimmäisissä vaiheissa raskaasta vedystä syntyy lopulta helium-4-atomin ydin.

Myös helium voi fuusioitua raskaammiksi hiukkasiksi, mutta tällaisten reaktioiden todennäköisyys kasvaa merkittäväksi tapahtumaksi vasta, kun lämpötila nousee Auringon ytimen lämpötilaa suuremmaksi. Heliumatomien ytimistä voi muodostua berylliumia, joka edelleen fuusioituu heliumatomin ytimen kanssa hiileksi. Hiili voi protonin kanssa fuusioitua typeksi ja typpi edelleen hapeksi. Kuuden ydinreaktion jälkeen lopputuotteeksi on syntynyt syklin aloittaneita hiili-12-isotooppeja, jotka voivat aloittaa hiilisyklin uudelleen. Samalla vedystä on muodostunut heliumia. Tätä tapahtuu auringonmassaisissa tähdissä vedyn käydessä vähiin elinkaaren loppuvaiheessa ja raskaammissa tähdissä koko ajan.

Protoni-protoni-ketjun eri vaiheissa energiaa vapautuu yhteensä 26,7 MeV. Auringon energiatuottotapa selkeni tutkijoille vasta 1920-luvulta lähtien, jolloin Arthur Eddington esitteli ajatuksensa protonien fuusiosta heliumiksi. Ernest Rutherfordin ja Mark Oliphantin ydinfuusiokokeissa 1930-luvulla löytyivät vedyn raskaat isotoopit deuterium ja tritium sekä paljastui valtava energiamäärä, joka fuusioreaktiossa vapautuu.

Atomiytimien tutkimuksesta ydinvoimaan

Radioaktiivisten aineiden löytyminen ja ydinfysiikan tutkimus 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä johtivat ydinfission hyödyntämiseen eri tarkoituksissa. Kun neutroni oli löydetty vuonna 1932, käytettiin niitä muodostamaan uusia keinotekoisia alkuaineita ja hajottamaan uraaniytimiä. Huomattiin, että uraanin ydinfissio tapahtuu todennäköisemmin isotoopissa uraani-235 kuin yleisimmässä isotoopissa uraani-238:ssa. Isotooppia U-235 on vain 0,7 % luonnon uraanimalmissa. Fissioreaktioiden lisäämiseksi uraanimalmia täytyy rikastaa eli lisätä isotoopin uraani-235 suhteellista määrää. Uraanin ydinfissiossa syntyvät keskiraskaat ytimet, joiden massaluvut ovat 140 ja 90–100 ympärillä. Ydinfissiossa ei synny aina yhtä tiettyä tytärydinparia, vaan vaihtoehtoja on useita.

[[$ \quad ^{1}_{0}\textrm{n}+{^{235}_{92}\textrm{U }}\rightarrow \textrm{ } ^{141}_{56}\textrm{Ba}+{^{92}_{36}\textrm{Kr}}+\textrm{3 }^{1}_{0}\textrm{n} $]]

Esimerkki ydinfissiosta

Fissiossa syntyvät sellaiset tytärytimet, että massaluku ennen ja jälkeen reaktion on sama. Tytärytimien lisäksi fissioreaktiossa vapautuu neutroneita, usein kahdesta kolmeen kappaletta. Syntyneet neutronit voivat halkaista uusia uraaniytimiä, jolloin syntyy ketjureaktio. Tämä havaittiin ydinfysiikan laboratoriokokeissa vuonna 1939.

Ydinfysiikan kokeet osuivat samaan ajankohtaan kun poliittisen tilanteen kärjistyminen toiseksi maailmansodaksi. Ydinfissiossa vapautuvaa energiaa ryhdyttiin suunnittelemaan käytettäväksi aseena. Aseiden valtava tuhokyky koettiin toisen maailmansodan lopussa 1945, kun Yhdysvallat pudotti kaksi atomipommia Japaniin. Atomipommeissa energia syntyi fissioreaktioissa. Myöhemmin rakennetuissa ydinaseissa, vetypommeissa, käytetään fission lisäksi ydinfuusiota energian vapautustapana. Toisen maailmansodan jälkeen ydinaseiden määrät lisääntyivät, kun Yhdysvallat ja Neuvostoliitto valmistivat niitä tuhansittain. Maailmanpoliittinen tilanne lisäsi ydinasevaltioita 1900-luvun jälkipuoliskolla.

Ydinvoimaa ja ydintutkimusta ryhdyttiin tekemään myös rauhanomaisiin tarkoituksiin. Hiukkasfysiikan tutkimuslaitos perustettiin CERNiin ja ydinvoimaa ryhdyttiin käyttämään energianlähteenä esimerkiksi sukellusveneissä tai laivoissa. Ensimmäinen ydinvoimala valmistui Neuvostoliittoon vuonna 1954. Ydinvoimaloiden rakentaminen myös kaupallistui ja Englannissa valmistui ensimmäinen kaupallinen ydinvoimala vuonna 1956.

Nykyisin ydinvoimaloita on maapallolla 452 kappaletta (lokakuu 2018). Maailman sähköntuotannosta ne kattavat 10,5 %. Eniten ydinvoimaloita on Yhdysvalloissa, Ranskassa, Kiinassa ja Venäjällä. Ydinvoimaloita rakennetaan edelleen ja etenkin Kiinaan on suunnitteilla lukuisia uusia ydinvoimaloita. Suomessa on neljä ydinvoimalaa: kaksi reaktoria Loviisassa ja kaksi Olkiluodossa, jonne on rakenteilla yksi lisää. Olkiluodossa yhden voimalaitoksen teho on vajaat 900 MW ja Loviisassa reilut 500 MW.

Ensimmäinen kaupallinen ydinvoimala Calder Hall valmistui 1956.

Ydinvoiman haasteet ja ongelmat

Uraania louhitaan kaivoksista ympäri maapalloa. Suurimmat uraanikaivokset löytyvät Australiasta ja Kanadasta. Suomessa uraanin hankinnasta vastaava Teollisuuden voima on hyvin tarkka, keneltä se uraanin hankkii ja käyttää luotettavia toimijoita. Polttoaineena käytetty uraani pakataan noin senttimetrin kokoisiksi pelleteiksi. Pelletit kootaan sauvoiksi, jotka upotetaan reaktorissa veteen.

Ydinpolttoaine pakataan pelleteiksi.

Ydinvoimalaitos on lämpövoimalan kaltainen laitos. Energiantuotanto perustuu veden höyrystämiseen. Veden höyrystäminen ei tapahdu ainetta polttamalla, vaan fissioreaktioiden kautta. Fissioreaktioissa vapautuva energia ilmenee hiukkasten liike-energiana, joka siirtyy veden lämmöksi. Jotta ketjureaktio syntyy, on uraaniytimiin kohdistuneilla neutroneilla oltava sopiva nopeus, mikä tarkoittaa käytännössä neutronien hidastamista. Hidastamiseen käytetään vettä. Ydinreaktioiden lukumäärää hallitaan myös säätösauvoilla. Säätösauvojen tarkoitus on absorboida neutroneita, jotta reaktioiden lukumäärä pysyy sopivan suuruisena. Lämmennyt vesi höyrystyy tai se suuripaineisena höyrystää sekundäärikierrossa olevaa vettä. Höyry pyörittää turbiinia, joka generaattorissa tuottaa sähköä sähkönjakeluverkkoon. Ydinvoimaloissa vettä käytetään myös jäähdyttimenä. Vesi jäähdyttää voimalakierrossa olevan veden uudelleenhöyrystettäväksi.

Video: Ydinvoimalan toimintaperiaate (BBC Studios)

Video: Hyvä tietää ydinvoimasta (Ydinreaktioita)

Ydinvoiman käyttö jakaa mielipiteitä. Ydinvoiman etu on vähäinen ympäristön kuormitus fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna: ydinvoimalassa ei polteta mitään, joten se ei tuota hiilidioksidia. Siten ydinvoiman käyttö hillitsee ilmastonmuutosta. Toinen etu on sähköntuotannon edullisuus. On kuitenkin olemassa tekijöitä, jotka ovat hidastaneet ydinvoiman yleistymistä valtavirran energianlähteeksi. Voimalaitosten rakentaminen on kallista ja sen hyödyntäminen vaatii tietotaitoa käyttäjiltä. Ennen kaikkea ydinvoiman haasteet liittyvät radioaktiivisen aineen säteilyyn ja sen luomiin negatiivisiin mielikuviin.

Fissioreaktioissa syntyy radioaktiivista ainetta, jota ei voida enää hyödyntää. Aine on ydinjätettä. Myös uraanimalmin louhinnassa ja käsittelyssä ydinpolttoaineeksi syntyy ydinjätettä, mutta näissä vaiheissa jätteen määrät ovat vähäisiä fissioreaktiojätteisiin verrattuna. Radioaktiivinen aine voi säteillä ympäristöön niin hiukkassäteilyä kuin gammasäteilyä. Säteily on ionisoivaa ja tuhoaa soluja. Se voi saada aikaan solujen mutaatioita, jotka eivät välttämättä korjaannu.

Radioaktiiviselta aineelta ja sen synnyttämältä säteilyltä pyritään suojautumaan mahdollisimman hyvin. Ydinvoimalat rakennetaan siten, että ydinpolttoaineen liika kuumeneminen ja sulaminen estetään tai että vaarallinen säteily ei pääse leviämään ympäristöön esimerkiksi veden kiertokulkuun. Ydinvoimalaonnettomuuksia on kuitenkin aiheutunut muutamia, joista vakavimmat ovat olleet Tšernobylin (1986) ja Fukushiman (2011) onnettomuudet.

Vaikka ydinonnettomuuksilta vältyttäisiin, on fissioreaktioissa syntyvän ydinjätteen loppusijoitus ratkaisematta. Ydinjätettä on varastoitu väliaikaisiin varastoihin, mutta loppusijoituksia ei ole tehty. Ydinjätteenä on eri alkuaineiden isotooppeja, joiden puoliintumisaika on ulottuu miljooniin vuosiin. Ydinjätteeseen liittyvien onnettomuuksien kannalta merkittävin ajanjakso on kuitenkin välittömästi jätteen syntymisen jälkeen, kun aineen aktiivisuus on korkein. Vaikka jätteen hajoamisreaktioissa ei vapaudu riittävästi energiaa, jotta sitä voisi käyttää polttoaineena, jäte lämpenee jonkin verran ja sitä pitää jäähdyttää. Muutamien kymmenien vuosien kuluessa aktiivisuus laskee tasolle, jolla jäte ei enää lämpene merkittävästi ja loppusijoitus voidaan tehdä. Loppusijoitus on tehtävä paikkaan, josta ei aiheudu haittaa ihmisille, eläimille tai ympäristölle. Suomessa loppusijoitus tehdään Olkiluodon ydinvoimalan läheisyyteen peruskallioon neljänsadan metrin syvyyteen.

Kaaviokuva Olkiluotoon rakennettavasta korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoitustilasta. Kuva: Posiva Oy

Ydinjäte eristetään ympäristöstään usealla eri tavalla: se kapseloidaan ja ympäröidään betonilla, minkä lisäksi kallio suojaa säteilyä leviämästä säilytyspaikasta pois. Eristystapoja on useita, jolloin yhden tavan pettäminen ei aiheuta ydinjäteonnettomuutta. Ydinjätteen loppusijoitusta ei kuitenkaan ole tarkoitus tehdä sellaiseksi, että pääsy loppusijoituspaikkaan estetään täysin. Tulevaisuudessa voi olla käytössä tekniikkaa, jolla ydinjätteen hävittäminen tai uusiokäyttö on mahdollista.

Loppusijoituskapseli.

Tarkemmin ydinjätteen loppusijoituksesta on kerrottu Posivan sivuilla. Posiva on asiantuntijaorganisaatio, joka vastaa Suomessa ydinjätteen loppusijoituksesta. Suomi on ydinjätteen loppusijoituksen suunnittelussa ja valmistelussa edelläkävijävaltio. Loppusijoituksen on tarkoitus alkaa Suomessa 2020-luvulla.

Loppusijoituksen perusteet (Posiva)

Fuusiovoima ja ydinvoiman tulevaisuus

Ydinfuusion valjastaminen energianlähteeksi voi olla ratkaisu nykyiseen energiantuotannon päästö- ja jäteongelmaan. Maailmanlaajuisesti katsottuna energialähteiden käyttötavan on muututtava, kun energiatarve lisääntyy ja ilmastoa lämmittävistä energialähteistä on luovuttava tai niiden käyttöä on vähennettävä merkittävästi. Fuusiovoimalan rakentaminen on kuitenkin fissiovoimalaakin haastavampaa. Fuusiovoimalan koelaitos JET (Joint Europen Torus) sijaitsee Oxfordshiressa, Englannissa. Se aloitti toimintansa vuonna 1984. JET on eurooppalainen hanke, jonka tarkoituksena on osoittaa fuusiovoima mahdolliseksi energiantuottotavaksi.

Video: JET fuusiovoima koelaitos (CulhamFusionEnergy)

JET-hanketta on seurannut ITER-hanke. ITERin voimalaitos on samankaltainen kuin JET-hankkeen voimalaitos. Molemmat ovat neuvostoliittolaisen Tokamak-voimalaitostyypin mukaisia. ITER-voimalaitos on rakenteilla Cadaracheen Ranskaan. Hanke on kansainvälinen ja yksi suurimmista tieteen yhteistyöhankkeista. Mukana ovat Euroopan unionin lisäksi Kiina, Japani, Intia, Yhdysvallat, Venäjä ja Etelä-Korea. ITERin on tarkoitus käynnistyä ensimmäistä kertaa vuonna 2025.

ITER-voimalaitoksen havainnekuva. © ITER

Fuusiovoimalassa ei pystytä hyödyntämään gravitaation aiheuttamaa painetta samalla tavalla kuin Auringossa. Tämän johdosta fuusiovoimalassa on tuotettava Auringon ydintä korkeampi lämpötila, jotta hiukkasten fuusio on mahdollista alhaisemmassakin paineessa. Lisäksi hiukkasten liikkeen ja fuusioitumisen on oltava kontrolloitua, ettei lämpötila nouse liian korkeaksi ja sulata voimalaitoksen rakenteita. Hiukkasten liikettä hallitaan magneettikentillä. Fuusioituva aine on plasmaa, jossa elektronit ja atomiytimet ovat irrallaan toisistaan. Molemmilla hiukkasilla on varaus, joten ne kokevat magneettisen vuorovaikutuksen liikkuessaan.

Toistaiseksi tehtyjen kokeiden perusteella ei ole varmuutta, että energiaa kontrolloidusti tuottava voimalaitos pystytään rakentamaan. Onnistumisesta syntyvät edut ovat kuitenkin niin suuret, että epävarmalle hankkeelle on riittänyt rahoitusta. Fuusiovoimaloissa syntyvällä radioaktiivisella jätteellä olisi lyhyt puoliintumisaika fissioon verrattuna (sadan vuoden aikana aineet ovat muuttuneet kierrätyskelpoisiksi), fuusiossa vapautuva energia on suuri, fuusioon tarvittavaa polttoainetta (vetyä) on runsaasti saatavilla, voimalaitokset tarvitsevat vain vähän maapinta-alaa, eikä fuusioreaktioissa synny kasvihuonepäästöjä.

ITER organisation

Nykyisen vuosisadan aikana selvinnee, onko fuusiovoima mahdollinen energiantuottotapa maapallolla. Samanaikaisesti fissiovoimaloita rakennetaan edelleen ja esimerkiksi Suomessa Olkiluoto 1 ja 2 reaktorit ovat saaneet toimintaluvan vuoteen 2038 saakka. Ydinvoima on keskeinen energiantuotantotapa ainakin seuraavan sadan vuoden ajan. Ydinvoiman (sekä fission että fuusion) merkitys voi olla hyvin suuri ilmastonmuutoksen torjumisessa. Uuden teknologian hyödyntäminen energiantuotannossa mahdollistaa yhä päästöttömämmän ja jätteettömämmän ympäristön. Lähitulevaisuudessa esimerkiksi pienitehoiset fissioydinvoimalat saattavat yleistyä kaupunkien energialähteiksi.

Pienydinvoimalat (Tekniikka&Talous) Pienydinvoimalat (YLE uutiset)

Esimerkkejä

Esimerkki 1

Auringossa protoni-protoni-ketjun aikana deuteriumydin fuusioituu protonin kanssa kevyeksi heliumiksi. Laske reaktiossa vapautuva energia.

[[$ \quad ^{2}_{1}\textrm{H}+{^{1}_{1}\textrm{H }}\rightarrow \textrm{ } ^{3}_{2}\textrm{He} $]]

Näytä ratkaisu

Esimerkki 2

Ydinvoimalan hyötyteho on 890 MW. Ydinvoimalan hyötysuhde on 0,35. Kuinka suuri massa muuttuu energiaksi yhden vuoden aikana?