Pallomaiset fuusiolaitokset ja majoneesi – Uudistamme tulevaisuuden energiatarpeemme

Fuusiovoima on yhtä vanhaa kuin kosminen järjestelmämme. Se sytyttää auringon ja tähdet. Kuitenkin sen soveltaminen planeetallamme on edelleen kokeellista.

Kesäkuun puolivälin raportin mukaan, alaan kohdistuvat investoinnit nousivat tänä vuonna yli 900 miljoonalla dollarilla noin 7,1 miljardiin dollariin. Asiantuntijat kuitenkin uskovat, että investointien kasvu ei ole vielä riittävää. Se on alhaisempi kuin viime vuonna saavutettu 1,4 miljardia dollaria ja 2022:n 2,8 miljardia dollaria.

According to Andrew Holland, the head of the Fusion Industry Association:

“Viimeisen 12 kuukauden kasvu on positiivista, mutta se ei riitä toteuttamaan fuusion kunnianhimoisia tavoitteita.”

Kuten muillakin aloilla, kasvua voidaan saavuttaa vain innovoinnin kautta. Tänään tarkastelemme yhtä tällaista tehokasta ja keskeistä innovaatiota—jonka tavoitteena on poistaa Ohmisen lämmityssolenoidin tarve—joka voi olla merkittävin suunnittelutekijä taloudellisten, kompaktien fuusiotokamak-reaktorijärjestelmien toteuttamisessa.

Mutta ennen kuin sukellamme syvemmälle tutkimukseen ja sen vaikutuksiin, meidän on tarkasteltava lyhyesti, miten fuusiovoiman tiede toimii ja millainen rooli tokamak-järjestelmillä on siinä. 

Fuusiovoiman tiede ja tokamak-järjestelmät

Se on monitieteinen tieteenala, jonka tavoitteena on kehittää hallittuun fuusioon perustuva energialähde. Fuusion perusperiaate on kahden ytimen yhdistyminen yhdeksi ytimeksi.

Käytännöllisemmällä tasolla fuusio Maassa tarkoittaa olosuhteiden luomista, jotka johtavat kestävien plasmajen syntymiseen, eli kaasuja, jotka ovat niin kuumia, että elektronit irtoavat atomiytimestä. Tutkijat käyttävät sähkö- ja magneettikenttiä hallitakseen syntynyttä ionien ja elektronien joukkoa, koska niillä on sähkövaraus. Tämä mekanismi on innoittanut nimen kontrolloitu fuusio.

Tokamak-järjestelmät auttavat rajoittamaan plasmaa magneettikenttien avulla toruksen, eli donitsin, muotoisessa rakenteessa. Vuosien varrella tokamakit ovat nousseet johtavaksi plasmaa rajoittavaksi konseptiksi tulevaisuuden fuusiovoimalaitoksissa. Seuraavassa osiossa käsittelemme tutkimusta, joka keskittyy tokamak-tilan optimointiin. 

Kompaktit, pallomaiset fuusiolaitokset: Pienempi tokamak taloudellisempana fuusiovaihtoehtona

Laajennettu tutkijaryhmä on tutkimuksen eturintamassa, mukaan lukien tiedemiehiä Yhdysvaltain energiaministeriöstä (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), yksityisestä yrityksestä Tokamak Energy sekä Japanin Kyushu-universiteetista. Heidän ehdotuksensa on yksinkertainen idean tasolla: kompakti, pallomainen fuusiopilottilaitos, joka lämmittää plasmaa pelkästään mikroaaltojen avulla.

 Mikroaaltojen käyttö poistaisi tarpeen massiiviselle kuparilangalle, jota kutsutaan solenoidiksi ja joka sijaitsee säiliön keskellä plasman lämmittämiseksi. 

Konkretisoidessaan perinteisen ohmisen lämmitysmenetelmän poistamisen hyödyllisyyttä, PPPL:n pääasiallinen tutkimusfysiikka Mayasuki Ono, paperin pääkirjoittaja, sanoi:

“Kompakti, pallomainen tokamak-plasma näyttää kuin ytimen omaava omena, jonka ydin on suhteellisen pieni, joten ohmisen lämmityskelan tilaa ei ole. Jos meidän ei tarvitse sisällyttää ohmista lämmityskelaa, voimme todennäköisesti suunnitella koneen, joka on helpompi ja edullisempi rakentaa.”

Saavuttaakseen tavoitteensa, kokeilu hyödyntää teknologiaa nimeltä ECCD (Electron Cyclotron Current Drive), joka voi samanaikaisesti ohjata virtaa ja lämmittää plasmaa. Tutkijat ovat lisäksi kehittäneet tietokonekoodin nimeltä TORAY, joka yhdessä toisen, TRANSP-nimisen koodin kanssa, voi skannata säteen suuntakulmia löytääkseen suurimman tehokkuuden ja minimoidakseen tarvittavan tehon virran ohjaamiseksi.

Tutkijat ovat lisäksi tunnistaneet ECCD-tilan, joka toimisi parhaiten kunkin lämmitysprosessin vaiheen aikana. Mahdolliset valinnat sisältävät kaksi tilaa:

• O-tila tai tavallinen tila
• X-tila tai poikkeuksellinen tila

Molemmat tilat ovat hyödyllisiä ja vaikuttavat järjestelmän kokonais toimintaan. X-tila toimii parhaiten, kun plasmaa täytyy nostaa lämpötilassa ja virrassa. O-tila on paras vaihtoehto plasma‑lämpötilan ja -virran ylläpitämiseen nousun jälkeen. 

Yhteenvetona vaihtoehtoisista lämmitysmenetelmistä, Ono sanoi:

“O-tila sopii korkean lämpötilan ja korkean tiheyden plasmaan. Mutta havaitsimme, että O-tilan tehokkuus heikkenee merkittävästi alhaisemmissa lämpötiloissa, joten tarvitaan jokin muu hoitamaan matalan lämpötilan vaihe.”

Tutkijat korostivat myös plasmaa puhtaana pitämisen tärkeyttä. Vahvat magneettikentät rajoittavat plasmaa tokamakissa tiettyyn muotoon, mutta joskus plasma voi lähestyä tokamakin sisäseiniä, jolloin seinämien atomit voivat irrota ja päätyä plasmaan. 

Vaikka tutkimusehdotukset ovat vielä kokeellisia, näemme jo kaupallisten toimijoiden osallistumisen, jotka voivat viedä ratkaisun eteenpäin, skaalata sitä ja tehdä fuusiovoiman soveltamisesta optimoidumpaa ja energiatehokkaampaa. Seuraavassa osiossa käsittelemme Tokamak-yritystä, joka on jo ollut mukana prosessissa. 

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak on ollut eturintamassa kehittämässä tarvittavaa teknologiaa jotta fuusiovoima voitaisiin toimittaa menestyksekkäästi 2030‑luokalla. Sen visio on tehdä fuusiovoimasta puhdasta, turvallista, edullista ja helposti saatavilla olevaa.

Tähän mennessä yritys on saanut 77 patenttihakemusten ryhmää ja kerännyt yhteensä 250 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Tästä 250 miljoonasta dollaria, 200 miljoonaa tuli yksityisiltä sijoittajilta, ja loput Yhdistyneen kuningaskunnan ja Yhdysvaltain hallituksilta. 

Toimintansa aikana yritys on kerännyt monia ansioita. Esimerkiksi vuonna 2022 yritys oli ensimmäinen yksityinen fuusioyritys, joka saavutti 100 miljoonaa celsiusastetta plasmaytimen lämpötilan tokamakissa, mikä on kaupallisen mittakaavan fuusiokynnys.

Saman vuoden aikana yritys myönnettiin myös korkein plasma‑‘kolminkertainen tuote’ kaikista yksityisistä fuusioyrityksistä, mikä on keskeinen mittari plasma‑lämpötilalle ja rajoitusaikaan. 

Olemme jo käsitelleet pallomaista Tokamakia, joka on yksi parhaiten tutkituista ja laajasti pidetyistä poluista fuusiovoiman saavuttamiseksi. Sen edut sisältävät operatiivisen tehokkuuden, plasma‑stabiilisuuden ja kustannustehokkuuden. 

Tokamakin ST40 –korkeakenttäinen kompakti pallomainen tokamak on yksi edistyneimmistä tällä alalla. Tämän avulla Tokamak saavutti plasma‑ytimen lämpötilan 100 miljoonaa celsiusastetta, mikä on kuusi kertaa kuumempi kuin Auringon ydin. 

Tokamak rakentaa myös Demo4‑magnettijärjestelmää erityisesti rakennettuun testilaitokseen. Järjestelmä koostuu 44 yksittäisestä HTS‑kelaa, jotka on koottu 14 toroidiseen kenttähaaraan ja kahteen poloidiseen kenttäkelaan häkärakenteessa. Se voi toimia tyhjiössä 20 kelviniä (-250 °C) lämpötilassa magneettikentän voimakkuudella, lähes miljoona kertaa vahvemmalla kuin Maan magneettikenttä.

#2. Helion

Toinen yritys, joka tekee mullistavaa työtä tällä alalla, on Helion. Yritys väittää rakentaneensa maailman ensimmäisen fuusiovoimalan. Helionin fuusiogeneraattori pystyy myös nostamaan fuusiopolttoaineen lämpötilan yli 100 miljoonaan celsiusasteeseen. Lisäksi se voi kerätä sähköä korkean hyötysuhteen pulssimenetelmällä. 

Teknologisesti, Helionin ratkaisu hyödyntää magneto‑inertiaalista fuusioteknologiaa. Helionin teknologia sisältää kolme merkittävää ominaisuutta, jotka erottavat sen muista lähestymistavoista tällä alalla. Sallimaan tehon säätämisen tarpeen mukaan, yritys hyödyntää pulssimaista, ei‑sytytystä fuusiota.

Samankaltaisesti kuin regeneratiivinen jarrutusjärjestelmä sähköautossa, Helion‑järjestelmä voi suoraan talteenottaa sähköä. Tämä tekee Helion‑järjestelmästä paljon energiatehokkaamman, koska muut saatavilla olevat fuusiot järjestelmät lämmittävät vettä tuottaakseen höyryä, joka pyörittää turbiinia, menettäen prosessissa paljon energiaa. 

Helion käyttää polttoaineenaan deuteriumia ja helium‑3:a (D‑³He). Näiden kahden fuusio tuottaa varauksellisia hiukkasia, jotka voidaan suoraan talteenottaa sähköksi, pitäen järjestelmän pienenä, tehokkaana, nopeana ja kustannustehokkaana. Deuteriumin ja helium‑3:n (D‑³He) käyttö polttoaineena auttaa vähentämään neutronipäästöjä ja merkittävästi lievittämään deuterium‑tritium‑fuusiopolttoaineen käytöstä johtuvia insinöörihaasteita.

Tärkeää on, että yritys uskoo fuusiovoimansa voivan tulla yhdeksi edullisimmista sähkönlähteistä, tuottaen ihanteellisesti sähköä hintaan 0,01 US‑dollaria per kWh.

Viimeisimpien saatavilla olevien tietojen mukaan yritys, joka perustettiin vuonna 2008, pystyi keräämään 500 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria vuoden 2021 loppuun mennessä, saavuttaen arvostuksen 1,25 miljardia dollaria. Tämä viimeisin rahoituskierros johti Sam Altman, OpenAI:n toimitusjohtaja, joka henkilökohtaisesti sijoitti 375 miljoonaa dollaria, korostaen vahvaa uskoa Helionin potentiaaliin mullistaa energian tuotanto fuusioteknologian avulla. Kokonaisrahoitus on nyt 577 miljoonaa dollaria, ja se kohdistetaan Helionin seitsemännen prototyypin, Polaris, valmistumiseen ja fuusiovoiman kaupallistamisen lähentämiseen vuoteen 2024 mennessä. 

Tokamakin ja Helionin kaltaisten yritysten edistynyt teknologinen työ auttaa fuusiovoiman alaa tekemään suuria edistysaskeleita. Aiemmin mainitsemaamme tutkimusta, jonka avulla aloitimme keskustelun, oli yksityisen ja julkisen sektorin kumppanuuden tulos. Se osoittaa, että tiedon ja kyvykkyyksien siirto tutkimuslaitosten ja kaupallisten yritysten välillä on vakaa ja järjestelmällinen. 

Fuusiolaitosten tulevaisuus: Innovatiivinen ajattelu resurssien optimointiin

Fuusion menestyminen edellyttää syvempää perehtymistä sen tieteeseen. Tiedemiehet ovat uteliaampia kuin koskaan. 

Majoneesi auttaa tutkijoita ratkaisemaan monimutkaisia fuusiovoiman haasteita

Lehighin yliopiston tutkijaryhmä käyttää majoneesia keskeisenä ainesosana käynnissä olevassa tutkimuksessaan Rayleigh‑Taylor‑epävakauden vaiheista. Tämä tutkimus voi vaikuttaa tulevien inertiaalisen rajoituksen fuusioprosessien suunnitteluun puhtaan energian tuotannossa.

According to Arindam Banerjee, the Paul B. Reinhold Professor of Mechanical Engineering and Mechanics at Lehigh University and Chair of the MEM department in the P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“Tiimi työskentelee edelleen saman ongelman parissa, joka on fuusiokapseleiden rakenteellinen eheys inertiaalisen rajoituksen fuusiossa, ja Hellmannin Real Mayonnaise auttaa meitä edelleen ratkaisujen etsimisessä.”

Majoneesi auttaa tiimiä toimimalla kiinteänä aineena, joka alkaa virrata painegradientin alaisena. Rayleigh‑Taylor‑ongelma, tunnettu fysiikan ilmiö, käsittelee ilmiötä, jossa eri tiheydet omaavien materiaalien välillä syntyy epävakaa kerrostuma, kun tiheys- ja painegradientit ovat vastakkaisessa suunnassa. Majoneesin käyttö mahdollistaa mahdollisten ratkaisujen kokeilun ilman, että tarvitaan korkeita lämpötila‑ ja paineolosuhteita, jotka ovat äärimmäisen vaikeita hallita.

Kylmäfuusio ilman äärimmäisiä lämpötiloja

Toinen äskettäinen läpimurto kylmäfuusiossa on herättänyt uudelleen toiveita puhtaan energian saavuttamisesta ilman äärimmäisen korkeiden lämpötilojen ja plasman tarvetta, jotka perinteisesti liitetään ydinfuusioon.

Tämä kehitys, jota pitkään pidettiin marginaalitieteenä, sisältää materiaalitieteen, harvinaisten metallien ja erityisten kemiallisten prosessien käyttöä ydinfuusion saavuttamiseksi alemmissa lämpötiloissa.

Tieteellinen yhteisö oli aiemmin hylännyt kylmäfuusion, koska varhaisia kokeellisia tuloksia, mutta uusi vertaisarvioitu tutkimus, joka on julkaistu Nature-lehdessä, ehdottaa mahdollista jatkoreittiä tarkkailemalla neutronipäästöjä kokeissa, joissa käytettiin deuterisoitua titaanijauhetta akustisen kavitaation alla. Tämä löytö voi avata tietä lisää tutkimusta kylmäfuusiosta mahdollisena vaihtoehtoisena energialähteenä, tarjoten potentiaalin puhtaaseen, lähes rajoittamattomaan energiaan.

Tutkimuksen löydökset haastavat pitkään vallitsevan uskomuksen, että ydinfuusio vaatii tähtien kaltaisia äärimmäisiä olosuhteita, kuten miljoonien asteiden lämpötilaa ja voimakkaita magneettikenttiä. Sen sijaan tämä uusi lähestymistapa tutkii fuusion saavuttamista erilaisilla mekanismeilla, mikä voisi mullistaa energiamarkkinat tarjoamalla helpommin saavutettavan ja vähemmän resurssia vaativan tavan energian tuotantoon.

If successful, cold fusion could bypass the massive infrastructure and energy input required by traditional fusion methods, making it a game-changer in the quest for sustainable and clean energy solutions.

AI: Pelin muuttaja ydinfuusioreaktioiden vakauttamisessa

Kasvavan hienostuneisuuden ja kykyjen myötä AI mullistaa ydinfuusiokentän ennustamalla ja estämällä plasma‑epävakautta, joka on historiallisesti estänyt fuusioreaktioiden kestävyyden. 

Princetonin yliopiston ja Yhdysvaltain energiaministeriön Princeton Plasma Physics Laboratory -tutkijat ovat kehittäneet AI‑mallin, joka pystyy ennakoimaan plasma‑häiriöitä, kuten repeilytilan epävakautta, jopa 300 millisekuntia ennen niiden ilmenemistä. Tämä mahdollistaa AI:n tehdä reaaliaikaisia säätöjä reaktorin parametreihin, ylläpitäen plasma‑stabiilisuutta ja estäen reaktion ennenaikaisen päättymisen. 

AI:n ennustava voima perustuu sen koulutukseen menneiden kokeiden dataan, mikä mahdollistaa dynaamisen reagoinnin mahdollisiin epävakauksiin tavoilla, joita perinteiset fysiikkaan perustuvat mallit eivät pysty.

Koska plasma on luontaisesti epävakaa ja monimutkainen, sen stabiilisuuden ylläpitäminen on ollut merkittävä haaste ydinfuusion ylläpitämisessä. Perinteisesti menetelmät ovat keskittyneet lievittämään epävakautta vasta sen jälkeen, kun ne ovat alkaneet häiritä plasmaa, usein liian myöhään reaktion pelastamiseksi. 

Hyödyntämällä AI:n kykyä ennustaa ja ennalta ehkäistä näitä epävakauksia, fuusioprosessi muuttuu vakaammaksi ja elinkelpoisemmaksi, lähestyen käytännön ja kestävän fuusiovoiman toteutumista. Tämä edistys ei ainoastaan paranna fuusion mahdollisuuksia rajattomana energialähteenä, vaan korostaa myös AI:n kriittistä roolia fuusiotutkimuksen vaikeimpien esteiden voittamisessa.

Mitä tulevaisuus tuo tullessaan?

Tulevaisuudessa yritykset kehittävät fuusioenergia‑ratkaisuja, jotka optimoivat tilan ja resurssien käytön energian ja kustannusten suhteen. Omar Hurricanein, Lawrence Livermore National Laboratoryn ohjelmajohtajan, mukaan, jossa National Ignition -laitos sijaitsee:

“Fuusio näyttää nyt paljon todennäköisemmältä kuin kymmenen vuotta sitten tulevaisuuden energialähteenä.”

Vuonna 2023, tutkijat saivat läpimurron luodessaan ydinreaktion, joka pystyi tuottamaan enemmän energiaa kuin se kulutti. Ilmoituksen mukaan kokeessa käytettiin 192 laseria toimittamaan 2,05 megajoulea energiaa herneen kokoiselle kultasylinterille, jossa oli jäätynyt pelletti vedyn isotoopeista deuteriumista ja tritiiumista. 

Energia oli niin intensiivinen että se romutti kapselin. Saavutettu lämpötila voi vastata vain tähtiä ja termoydinaseita. Tarkemmin sanottuna, laboratoriosta saatujen tietojen mukaan 3,15 megajoulea energiaa  vapautui—lähes 54 % enemmän kuin reaktioon syötetty energia ja yli kaksinkertainen edellinen ennätys, 1,3 megajoulea.

Monet tutkijat uskoivat, että kokeen tuloksilla on suuri potentiaali tulevaisuudelle. Michael Campbellin, entisen New Yorkin Rochesterin yliopiston fuusialaboratorion johtajan ja NIF:n varhaisen puolestapuhujan Lawrence Livermore -laboratoriossa, mukaan läpimurto voisi vahvistaa luottamusta laserifuusiovoiman lupaukseen ja lopulta avata oven uuteen ohjelmaan, joka keskittyy energiasovelluksiin. Lawrence Livermore -laboratorion johtaja Kim Bundil uskoi sen olevan “perustavanlaatuinen rakennuspalikka inertiaalisen rajoituksen fuusiovoimaskeemassa.”

Koe ja sen menestys osoittivat myös tarpeen monille tuleville kehityksille, jotka tekisivät prosessista kestävämmän. Esimerkiksi, jotta kokeesta tulisi käyttökelpoinen prosessi, vapautuvan energian on kasvettava vähintään kahden suurensarjan verran verrattuna laserpulssien tuottamiseen käytettyyn energiaan.

Tulevaisuudessa on myös nähtävä dramaattinen kasvu laserien pulssien tuotantonopeudessa ja siinä, kuinka nopeasti ne voivat tyhjentää kohdekamaran valmistellakseen sen seuraavaa polttoa varten. 

Vaikka nämä ponnistelut jatkuvat tulevina päivinä, päätämme tämän päivän keskustelun mainitsemalla toisen tärkeän hankkeen tällä alalla – 22 miljardia dollaria maksavan ITER-projektin, joka on yhteistyö Kiinan, Euroopan unionin, Intian, Japanin, Korean, Venäjän ja Yhdysvaltojen välillä. Projekti pyrkii saavuttamaan itseään ylläpitävän fuusion, jossa fuusiosta saatava energia tuottaa lisää fuusiota. 

Hitaasti ja tasaisesti, kun nykyiset kokeet saavuttavat loppupisteensä, fuusiovoima tulee olemaan kustannustehokkaampaa, optimoitua ja valmiina laajempaan massakäyttöön.