Fuusioenergian tuotantoon haetaan läpimurtoa kansainvälisessä hankkeessa

ITER-hankkeen koelaitos kohoaa Etelä-Ranskaan

Fuusiovoimala on hanke, joka toteutuessaan tarjoaisi puhdasta ja turvallista ydinenergiaa koko ihmiskunnan tarpeiksi. Fuusio on vaikeasti hallittavissa ja sen ylläpitäminen vaatii energiaa enemmän kuin siitä saadaan. Tätä haastetta on yritetty ratkaista vuosikymmeniä. Kun tässä onnistutaan, fuusioenergian tuotanto mullistaa maailman. Tutkimusreaktori ITER, joka on juuri rakenteilla Ranskaan, on yksi maailman kunnianhimoisemmista energia-alan projekteista.

iter Tokamak plasma configuration control model

ITER:n Tokamakin plasman konfiguraationhallintamalli. Kuvassa näkyy myös diverttorikasetti.

Fuusioenergia on lähes täydellinen energiamuoto. Sen edut ovat valtavat. Muutamasta litrasta vettä ja yhdestä kännykän akusta saadaan tehtyä polttoainetta yhden ihmisen vuosikymmenien tarpeiksi. Polttoainetta, vedyn raskaita isotooppeja, on helposti saatavissa sadoiksi vuosiksi.

Kuten perinteisessä fissioydinvoimassa, Fuusioenergian tuotannossa ei synny vaarallista korkea-aktiivista ydinjätettä, joka pitäisi varastoida vuosisadoiksi. Kun perinteinen ydinvoimala saattaa aiheut-taa katastrofaalisen onnettomuuden, kuten Tsernobylissä tai Fukushimassa, fuusiovoima ei aiheuta samankaltaisia vaaratilanteita. Jos jokin menee fuusios-sa pieleen, reaktio yksinkertaisesti pysähtyy. Fuusioenergian tuotannossa ei myöskään vapaudu kasvihuonekaasuja.

Auringon energia on peräisin fuusio-reaktiosta. Hallittu fuusioreaktio maapallolla loisi päästöttömän, turvallisen ja lähes loputtoman energialähteen. Fuusioenergian odotetaankin jonain päivänä mullistavan koko maailman.

Valitettavasti vuosikymmenien yrittämisestä huolimatta fuusiolla ei ole pystytty tuottamaan enemmän energiaa kuin sen ylläpitämiseen tarvitaan. Siitä huolimatta tällä hetkellä fuusiovoiman tutkimuslaitoksiin satsataan poikkeuksellisen paljon.

ITER – täysikokoinen fuusioreaktori

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) on maailman kunnianhimoisin energia-alan projekti. Projektin tavoitteena on toteuttaa maailman ensimmäinen täysikokoinen fuusioreaktori, jonka tehtävänä on todistaa, että fuusioenergiasta voi tulla järkevä sähkön tuotantomuoto. Tällä haetaan ratkaisua ihmiskunnan tulevaan energiatarpeeseen.

EU:n komission tavoitteen mukaan fuusioenergia pitäisi saada sähköverkkoihin vuonna 2050. Tutkimusreaktori ITER on keskeinen vaihe tässä suunnitelmassa. ITER-koelaitosta rakennetaan Etelä-Ranskaan Saint Paul-lez-Duranceen. Se on ollut rakenteilla vuodesta 2010. Tavoitteena on, että ensimmäinen plasma siellä syttyisi vuonna 2025. Tämän maailman suurimman tuotekehityshankkeen arvioidut kustannukset ylittävät 15 mrd €. Sitä rahoitetaan kansainvälisesti.

ITER-reaktoria on sanottu maailman monimutkaisimmaksi koneeksi. Sen tarkoitus olisi tuottaa kymmenen kertaa enemmän energiaa kuin fuusion vaatima lämmitys tarvitsee. Pelkästään fuusioreaktorin sydän, Tokamak, painaa kolmen Eiffel-tornin verran. Tämä kertoo koelaitoksen mittasuhteista.

Comatec mukana konseptitason työssä

ITER-projekti on valtava hanke, siihen osallistuu maailmanlaajuisesti tuhansia suunnittelijoita. Heidän joukossaan on myös Comatecin suunnittelijoita.

– Olemme olleet mukana projektissa jo vuodesta 2012 ja suunnittelutyömme jatkuu siinä edelleen, Comatec Groupin myyntijohtaja Arto Timperi toteaa.

– Comatec sai kevään 2018 aikana kaikkiaan kolme tilausta fuusioenergia-projektiin. Näistä yksi koskee ITER-projektia ja kaksi ITER-projektia seuraavaan DEMO-projektia. ITER on suuren mittakaavan tutkimusreaktori ja DEMO on tutkimusreaktorin jälkeinen voimalaitos, joka demonstroi fuusioenergian kaupallisen sähkön tuotannon.

– Comatec tekee sekä käytännön suunnittelutyötä, että konseptointitason työtä. Olemme tehneet mallinnusta, lujuuslaskentaa sekä mekaanista ja sähkömekaanista konesuunnittelua. DEMO-laitosvaiheeseen teemme etäohjattavaa robotiikkasuunnittelua, Arto kertoo.

Ratkaisuja, jotka tulevat käyttöön 2040-luvulla

DEMO-voimalaitoksen suunnittelussa hyödynnetään ITER-vaiheesta saatavia tutkimustuloksia. DEMO:ssa on tarkoitus keskittyä energian talteenottoon, kun taas ITER keskittyy plasman hallintaan.

Fuusioreaktorin sydän Tokamak on kone, joka on suunniteltu hyödyntämään fuusion energiaa. Tokamakin sisäpuolella atomien fuusion kautta syntynyt lämpö imeytyy sen seinämiin. Tätä lämpöä käytetään tuottamaan höyryä ja sitten sähköä turbiineilla ja generaattoreilla aivan kuten perinteisessä voimalaitoksessa.

DEMO:n rakentaminen suunnitellaan aloitettavaksi 2030-luvulla ja sen olisi tarkoitus olla toiminnassa 2040-luvulla. Comatecin vanhempi suunnittelija Stefan Mühlig-Hofmann osallistuu DEMO-vaiheen suunnitteluun. Tällä hetkellä Stefan on mukana diverttorikasettien vaihtovaunun suunnitteluprojektissa.

Tokamakin alla on 48 kappaletta diverttorikasetteja, jotka toimivat ikään kuin tuhkakuppeina. Epäpuhtaudet ohjataan putoamaan näihin kasetteihin. Niihin kohdistuu fuusioreaktion aikana 150 miljoonan asteen kuumuus. Ne ovat kuluvia osia ja ne kaikki vaihdetaan huoltojaksojen yhteydessä.

– Vaikka fuusioreaktori on sammutettu huollon aikana, kasettien lähellä on sata-asteinen kuumuus ja sen verran säteilyä, että ihminen ei voi mennä tekemään huoltotoimenpiteitä reaktorin lähelle. Niinpä nämä 7 tonnia painavat diverttorikasetit vaihdetaan etäohjatusti vaunuilla, jotka liikkuvat ketju-hammasratas-pyöräsysteemillä. Tämän vaihtovaunun suunittelussa olen ollut mukana, Stefan kertoo.

– Systeemin pitää olla idioottivarma ja vaunu pitää saada ulos tunnelista ilman, että ihminen menee sinne. Jos vaunu jumittuisi kiskossa tai ketju katkeaisi, reaktori olisi periaatteessa käyttökelvoton.

– Vaunussa tulee todennäköisesti myö-hemmin olemaan robottivarsi, joka tekee reaktorin sisällä töitä ja varmistaa, että vaunu kulkee sujuvasti. Robottitekniikkaa on reaktorissa mukana monessa paikassa, koska ihminen ei voi olla siellä tekemässä huoltotoimenpiteitä.

– Plasman kuumuus fuusioreaktion aikana on satamiljoona astetta. Vaipan takana olevat magneetit pitävät plasman hallinnassa. Magneetit toimivat, kun ne ovat jäähdytettynä -270 asteeseen. Jäähdytystä varten tarvitaan tietysti paljon jäähdytysputkia, Stefan toteaa.

– Joka kerta, kun diverttori vaihdetaan, siihen liittyvät jäähdytysputket joudutaan katkaisemaan. Lisäksi jäähdytysputket kestävät vain tietyn ajan, koska säteilyn vuoksi materiaali haurastuu.

– Jäähdytysputkia katkaistaan ja hitsataan laserilla. Olen mukana myös tämän ryhmähankkeen yhdessä työpaketissa, joka sisältää robottisen leikkaus-, hitsaus- ja hitsauksen jälkikäsittelylaitteen suunnittelun, Stefan kertoo.

– Laitetta käytetään kaukana, ainakin 20 metriä, ihmisestä reaktorin ja putkien sisällä leikkaamaan vanha putket pois ja hitsaamaan uudet tilalle. Leikkaus- ja hitsauspäät ovat pieniä robotteja, jotka ovat kauko-ohjattavia. Ne ovat ulkomitoiltaan vain 75 millimetriä. Minä suunnittelen laserleikkaus- ja hitsauslaitteeseen pienen nopeasti irrotettavan liittimen, Stefan toteaa.

– Me olemme siis mukana kokoluokaltaan sekä 7 tonnin että pienen 12 millimetrin osan suunnittelussa.

ITER:n diverttorikasetti

ITER:n diverttorikasetti

 

TEKSTI: TAINA SYRJÄNEN