Fuusioenergian tulevaisuus: Tie kaupalliseen sähköntuotantoon
Tolvanen, Ellinoora (2024)
2024
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-06-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202406046694
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202406046694
Tiivistelmä
Fuusioreaktiossa kaksi kevyttä atomiydintä yhdistyy yhdeksi ytimeksi vapauttaen samalla suuren määrän energiaa. Reaktiota tapahtuu koko ajan tähdissä. Jos fuusioreaktori saataisiin toimimaan Maassa, se tarjoaisi loputtoman energianlähteen, koska se käyttää polttoaineenaan kahta vedyn isotooppia.
Tässä kirjallisuusselvityksessä tutustutaan fuusioreaktoreiden tulevaisuuteen, kuinka reaktoreiden tulisi kehittyä, jotta niitä voitaisiin käyttää kaupallisessa sähköntuotannossa. Ennen tulevaisuuteen perehtymistä työssä tutustutaan fuusioon ilmiönä, fuusioreaktoreiden historiaan ja nykypäivän tilanteeseen.
Fuusioreaktoreiden kehitys on keskittynyt vahvasti kahteen eri fuusioreaktoriluokkaan. Luokat ovat magneettiseen koossapitoon perustuva fuusio ja inertiaalinen fuusio. Magneettisessa koossapidossa plasmavirtaa hallitaan voimakkailla magneeteilla, joiden avulla plasma lämmitetään tarpeeksi korkeaan lämpötilaan, jossa fuusioreaktio voi tapahtua. Magneettisen koossapidon reaktoreista käytetään lyhennettä MCF-reaktori (eng. magnetic confinement fusion). MCF-reaktorit voidaan jakaa muotonsa perusteella kahteen eri malliin, tokamakkeihin ja stellaraattoreihin. Tokamak on toruksen muotoinen ja stellaraattori mutkittelevan toruksen muotoinen. Inertiaalisessa fuusiossa suurienergisellä ajurisuihkulla ammutaan pienikokoiseen pellettiin. Suihku tuo energiaa pellettiin niin paljon, että pelletti kokoon luhistuu eli muuttuu pieneksi plasmakeskittymäksi. Plasmakeskittymän palaessa tapahtuu fuusioreaktio. Tällaisia reaktoreita kutsutaan ICF-reaktoreiksi (eng. inertial confinement fusion).
MCF-reaktoreiden tutkimus on alkanut 1950-luvulla ja ICF-reaktoreiden 1960-luvulla. Tämänhetkisen ennätykset tokamak-reaktorilla on 69 MJ vapautunutta energiaa, stellaraattorilla 1300 MJ energianvaihto ja ICF-reaktorilla 3,85 MJ vapautunutta energiaa. ICF-reaktori on ainut, joka on pystynyt vapauttamaan enemmän energiaa kuin sen fuusion sytyttämiseen on tarvittu.
Stellaraattorit ovat kehityksessä viimeisimpänä. Niiden suurin haaste on seinien liika kuumeneminen. Sekä tokamak- että ICF-reaktoreista on suunniteltu DEMO-reaktorit, joiden on tarkoitus olla toiminnassa 2050-luvulla. Niiden tarkoitus on osoittaa fuusioreaktoreiden käyttökelpoisuus kaupallisessa sähköntuotannossa.
Jotta DEMO-reaktorit saataisiin toimimaan ja niiden jälkeen voitaisiin rakentaa kaupalliseen käyttöön tarkoitetut reaktorit, on testireaktoreiden vielä kehityttävä. ICF-reaktoreissa ajurisuihkuja pitää saada voimakkaammiksi ja pellettien hyötysuhdetta parannettava, jotta ne voivat vapauttaa enemmän energiaa. Tokamakkien plasman pulssin pituutta tulee kasvattaa, plasman hallintaa parantaa ja reaktoreiden materiaalien kehittyä. Fuusiotutkimus tarvitsee paljon kansainvälistä yhteistyötä ja rahallisia investointeja pysyäkseen DEMO-reaktoreiden nykyisessä aikataulussa.
Tässä kirjallisuusselvityksessä tutustutaan fuusioreaktoreiden tulevaisuuteen, kuinka reaktoreiden tulisi kehittyä, jotta niitä voitaisiin käyttää kaupallisessa sähköntuotannossa. Ennen tulevaisuuteen perehtymistä työssä tutustutaan fuusioon ilmiönä, fuusioreaktoreiden historiaan ja nykypäivän tilanteeseen.
Fuusioreaktoreiden kehitys on keskittynyt vahvasti kahteen eri fuusioreaktoriluokkaan. Luokat ovat magneettiseen koossapitoon perustuva fuusio ja inertiaalinen fuusio. Magneettisessa koossapidossa plasmavirtaa hallitaan voimakkailla magneeteilla, joiden avulla plasma lämmitetään tarpeeksi korkeaan lämpötilaan, jossa fuusioreaktio voi tapahtua. Magneettisen koossapidon reaktoreista käytetään lyhennettä MCF-reaktori (eng. magnetic confinement fusion). MCF-reaktorit voidaan jakaa muotonsa perusteella kahteen eri malliin, tokamakkeihin ja stellaraattoreihin. Tokamak on toruksen muotoinen ja stellaraattori mutkittelevan toruksen muotoinen. Inertiaalisessa fuusiossa suurienergisellä ajurisuihkulla ammutaan pienikokoiseen pellettiin. Suihku tuo energiaa pellettiin niin paljon, että pelletti kokoon luhistuu eli muuttuu pieneksi plasmakeskittymäksi. Plasmakeskittymän palaessa tapahtuu fuusioreaktio. Tällaisia reaktoreita kutsutaan ICF-reaktoreiksi (eng. inertial confinement fusion).
MCF-reaktoreiden tutkimus on alkanut 1950-luvulla ja ICF-reaktoreiden 1960-luvulla. Tämänhetkisen ennätykset tokamak-reaktorilla on 69 MJ vapautunutta energiaa, stellaraattorilla 1300 MJ energianvaihto ja ICF-reaktorilla 3,85 MJ vapautunutta energiaa. ICF-reaktori on ainut, joka on pystynyt vapauttamaan enemmän energiaa kuin sen fuusion sytyttämiseen on tarvittu.
Stellaraattorit ovat kehityksessä viimeisimpänä. Niiden suurin haaste on seinien liika kuumeneminen. Sekä tokamak- että ICF-reaktoreista on suunniteltu DEMO-reaktorit, joiden on tarkoitus olla toiminnassa 2050-luvulla. Niiden tarkoitus on osoittaa fuusioreaktoreiden käyttökelpoisuus kaupallisessa sähköntuotannossa.
Jotta DEMO-reaktorit saataisiin toimimaan ja niiden jälkeen voitaisiin rakentaa kaupalliseen käyttöön tarkoitetut reaktorit, on testireaktoreiden vielä kehityttävä. ICF-reaktoreissa ajurisuihkuja pitää saada voimakkaammiksi ja pellettien hyötysuhdetta parannettava, jotta ne voivat vapauttaa enemmän energiaa. Tokamakkien plasman pulssin pituutta tulee kasvattaa, plasman hallintaa parantaa ja reaktoreiden materiaalien kehittyä. Fuusiotutkimus tarvitsee paljon kansainvälistä yhteistyötä ja rahallisia investointeja pysyäkseen DEMO-reaktoreiden nykyisessä aikataulussa.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8381]