lämpöydinfuusio - ei skandaalinkäryisiä yrityskauppoja ... · studia generalia, syp, 2016 3 may...

1

Lämpöydinfuusio - ei skandaalinkäryisiäyrityskauppoja vaan kärytöntä energiaa

T. Kurki-SuonioTeknillinen fysiikka

Aalto-yliopisto

2Studia Generalia, SYP, 2016

Ilmastonmuutospähkinänkuoressa

Kaikki elämä maapallolla perustuu siihen, että meillä on ’aina’ollut kasvihuoneilmiö.Kasvihuoneilmiön voimistuminen voi kuitenkin johtaa niinsuureen ilmastonmuutokseen, että jossain vaiheessataloudelliset kysymykset voivat alkaa kuulostaa naurettavilta.

3Studia Generalia, SYP, 2016

May 9, 2013: Ilmakehän CO2 –pitoisuus ylitti 400 ppm

Tällaisia CO2 –tasoja on toki ollut ennenkin: 3–5 miljoonaa vuotta sitten, jolloinnapajäätiköt loistivat poissaolollaan ja merenpinta oli 40m korkeammalla …

WMO: vuonna 2015 tuoraja ylittyi pysyvästi, ei vainhetkellisesti ja ’jossain’.

4Studia Generalia, SYP, 2016

« Nykyisten kasvi- ja eläinlajien (mukaan luettuna ihminen) säilymisenkannalta meidän on siis VÄLTTÄMÄTÖNTÄ löytää hiilivapaitaenergiantuotantomuotoja SUURESSA MITTAKAAVASSA

« Yksi varteenotettava kandidaatti on FUUSIO-energia …

5Studia Generalia, SYP, 2016

Käytämme fuusioenergiaa jo tänään!

Fuusio on auringon ja tähtien energialähde

Käytännössä kaikki ihmisen käyttämäenergia on peräisin auringon

fuusioreaktioista– mutta valitettavasti lähinnä fossiilisten

polttoaineiden muodossa

(Fuusio tuottaa energian lisäksi vetyäraskaampia alkuaineita Heliumista

rautaan)4 Protonia

Helium+ Energiaa

6Studia Generalia, SYP, 2016

Entäs jos käytämme suoraan aurinkoenergiaa??

Minkä tehoisesta myllystä on kyse?« Kemiallinen reaktio (fossiiliset & bio): vapautuva energia ~ 0,004 kWh/g« Fuusioreaktio: vapautuva energia ~ 100 000 kWh/gâ Auringon säteilyteho on VA-A-ALTAVA:

3,8*1026 W (ei kannata edes yrittää verrata mihinkään)

«Mutta maa on kaukana ja aurinko säteilee ’taivaan tuuliin’è 1/r2

è’vain’ 1,8*1017 W, josta pilvet heijastavat 40%è maan pinnalle tulee noin 1017 W

7Studia Generalia, SYP, 2016

Onko 1017 W paljon vai vähän?

Maailman energiankulutus vastaa keskitehoa 1013 W

èMaan pinnalle saapuvan aurinkosäteilyn teho on oikeasti paljon,noin 10 000 x (ihmiskunnan tarvitsema teho) !!

è Miksi edes vaivautua miettimään muita energialähteitä?

8Studia Generalia, SYP, 2016

Auringon säteilystä sähköksi: Fysikaaliset rajoituksetAuringon säteilyn keskimääräinen intensiteetti n. 1kW/m2

Mutta ...

Maa ei ole litteä pannukakku vaan palloâVain päiväntasaajan alue saa säteilyn suoraan

âVain päiväntasaajan alueella säteilytehon vaihtelutvuorokausitasolla, teollistuneilla alueilla vuositasolla.

âAurinkoenergian tapauksessa tarve ja tuotto eivätkohtaa

https://www.helen.fi/aurinkovoimalat/suvilahti/

MacKay, ”Sustainable Energy without The Hot Air”

tuottoa on vähiten kuntehoa tarvitaan eniten L

9

Nimellinen teho vs todellisuusFRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS ISEElectricity production from solar and wind in Germany in 2014

10

Nimellinen teho vs todellisuusFRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS ISEElectricity production from solar and wind in Germany in 2014

Nimellinenteho (GW)

Tuotettuenergia(TWh)

11Studia Generalia, SYP, 2016

Mutta jotain pitäis tehdä, että hiilestä oikeastipäästäisiin…

« Valitun tuotantomuodon pitää pystyä vastaamaan energian tarpeeseenyhteiskunnallisella tasolla

« Suomen vuotuinen sähkönkulutus: 80 TWh«Minkä kokoisia myllyjä tarvitaan tuon sähkömäärän tuottamiseen?

– 80 TWh = 80 000 GWh– Vuodessa on 8760 tuntiaâ tarvittu keskimääräinen teho: 9 GW

«Modernin voimalaitoksen teho ~ GW = 1000 MWâ Vertaillaan GW:n kokoisia yksikköjä …

12Studia Generalia, SYP, 2016

Hiilivoimala2 400 000 tonnia hiiltä(35 000 junavaunullista)

1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve

13Studia Generalia, SYP, 2016

Hiilivoimala2 400 000 tonnia hiiltä(35 000 junavaunullista)

1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve

Biovoimala15 000 000 m3

puutavaraa

10m x 1m x 1500km

14Studia Generalia, SYP, 2016

Hiilivoimala2 400 000 tonnia hiiltä(35 000 junavaunullista)

1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve

Biovoimala15 000 000 m3

puutavaraa

10m x 1m x 1500km

15Studia Generalia, SYP, 2016

Hiilivoimala2 400 000 tonnia hiiltä(35 000 junavaunullista)

1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve

Biovoimala15 000 000 m3

puutavaraa

10m x 1m x 1500km

Ydinvoimala:30 tonnia rikastettua uraania(kaksi rekkalastia)

16Studia Generalia, SYP, 2016

Hiilivoimala2 400 000 tonnia hiiltä(35 000 junavaunullista)

1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve

Biovoimala15 000 000 m3

puutavaraa

10m x 1m x 1500km

Ydinvoimala:30 tonnia rikastettua uraania(kaksi rekkalastia)

17

+ säätö- ja varavoima’pahoille päiville’...

80 km2 aurinkopaneeleja

300 km2 tuulimyllyjä

Entäs polttoaineettomat ratkaisut?

18Studia Generalia, SYP, 2016

Fuusiota siis todella tarvittaisiin!

«Mutta mitä heikkouksia fuusiossa on?

« Niin, sehän perustuu ydinreaktioon – eikös ydinvoima ole vaarallista?

19Studia Generalia, SYP, 2016

Kaikki energiantuotantomuodot ovat’hengenvaarallisia’ – riskejä pitää verrata toisiinsa!

Onnettomuuskuolemia per TWh:Hiilet 161Öljy 36Maakaasu 4Bio-polttoaineet 12Turve 12Aurinko (rooftop) 0.44Tuuli 0.15Vesivoima 1.4Ydinvoima 0.04

Tilastot koottu WHO:n jaeurooppalaisen Extrenenjulkaisuista

Lisäksi epäsuorat kuolemat: Vuosittain 3.1 miljoonaa ihmistä kuolee energiantuoton aiheuttamiin ilmansaasteisiin

(Muist. Suomensähkönkulutus80TWh/vuosi)

20

CO2-päästöt korreloivat siis paitsi ilmastonmuutoksen myös terveysvaikutusten kanssa!è tällä hetkellä kriittisin toimenpide GHG-päästöjen radikaali pienentäminen!

Mar

kand

ya&

Wilk

inso

n,El

ectri

city

gene

ratio

nan

dhe

alth

,Th

eLa

ncet

370

(200

7)97

9-99

0

Energiantuotantomuotojen ’terveellisyys’

21Studia Generalia, SYP, 2016

Fuusio fissiota (vielä) viattomampaa

« Ydinreaktoriin ladataan kerrallaan esim. vuoden uraanit« Fuusioreaktori toimii kuten polttomoottori: polttoainetta pitää ruiskuttaa

jatkuvasti sisään, jotta fuusiopalo pysyisi yllä

â Fuusiossa ei siis ole jälkilämpöä, joka onnettomuustilanteessa muodostaaturvallisuusriskin

« Eikä ole loppusijoitusongelmaakaan: polttoainetuhka on heliumia, ei korkea-aktiivista mömmöä

22Studia Generalia, SYP, 2016

Fuusio on erilaista ydinvoimaa

«Raskaan vedyn (D & T) fuusio helpoin toteuttaa«Coulombin valli T = 100 000 000 C«DT-polttoaine on plasmaa ko. lämpötilassa (aineen 4. olomuoto)«Lämpöeristys voimakkailla magneettikentillä

D + T à 4He + n + 100 000 kWh/g

Nettoenergian (Q >> 1) tuotto vaatii« Riittävän tiheyden n« Riittävän lämpötilan T

« Riittävän koossapitoajan

nT > kriittinen arvo

23Studia Generalia, SYP, 2016

Fuusion edut ja haitat ?Edut:« turvallisuus ja ympäristöystävällisyys« ei kasvihuonekaasupäästöjä« ei korkea-aktiivisia radioaktiivisia jätteitä« ei pommimateriaaleja« käytännössä rajoittamattomat energiavarannot:

Deuterium and Litium (® Tritium: n + Lià He + T)Haitat:« Monimutkainen teknologia – ei toimi vielä« Energian hinta?« Ei vapaa radioaktiivisuudesta

Miten mini-aurinko tehdään?

25Studia Generalia, SYP, 2016

”Laserfuusio”

« Kolmituloa nT optimoidessaviitataan kinttaalla koossapidolle

« Ensimmäinen demonstraatio1952: Teller-Ulam vetypommi L

« Räjäyttämiseen tarvittiinatomipommi

« 1900-luvun lopusta lähtien ontutkittu, voitaisiinko energiaatuottaa mikroskooppisilla’vetypommeilla’ esim. lasereillapuristamalla

”Ivy Mike” –vetypommi 1952

LLNL Kaliforniassapuristaa lasereillapikkuruisen DT-pelletin 150 000000 000 ilmakehänpaineeseen (atm)

26Studia Generalia, SYP, 2016

”Magneettinen” fuusio – kohtuus kunniaan!Sähköisesti varatut hiukkaset seuraavatmagneettisia voimaviivojaâ suljetaan polttoaine magneettiseen pulloon!Mutta hidut vapaita karkaamaan päädyistäâ eliminoidaan päädyt tekemällä pullosta

munkkirinkilä!”Kohtuulliset” tavoitteet:

– Lämpötila vain 100 000 000 C– Paine vain 10 atm– Magneettikenttä 5T (~ lääketieteen MRI)– Q = 10

Kaksi toteutustapaa magneettiselle koossapidolle(Aksisymmetrinen) tokamak

Osa kentästä muuntajaperiaatteella

Perus-tokamak:

«Hyvä koossapito!J«Pulssi-koneL«Plasmavirta ruokkii epästabiilisuuksia L

(Aito 3D) stellaraattoriKoko kenttä luodaan keloilla

Perus-stellaraattori:

«Vuotaa kuin seula (3D)L«Jatkuvatoiminen! J«Stabiili!J

Kaksi toteutustapaa magneettiselle koossapidolleITER-tokamak

Cadarache, Ranska

Maailmanlaajuinen yhteisprojekti«500 MW:n fuusiotuotto, Q = 10?«Materiaalit fuusio-olosuhteissa«Teknologian testaus & kehitys

Wendelstein 7-X stellaraattoriMax Planck instituutti, Saksa

Tietokone-optimoitu stellaraattori:«Koossapito tokamakien tasolle?«Ensimmäinen koekampanja 2016

ylitti kaikki odotuksetJ

29Studia Generalia, SYP, 2016

Laboratoriofuusio toimii jo!

Fuusioenergian tieteellinen toteutettavuus on osoitettu jo viime vuosituhannella(1990-luku) lukuisissa laboratoriokokeissa, jotka perustuvat magneettiseenkoossapitoon:

DT-kokeet JET-tokamakilla 1997 tuottivat 16 MW fuusiotehoa

Itse asiassa fuusiotuotto toimii niin hyvin, että tutkimuslaitteissa täytyy käyttääpolttoaineen kevyt-versiota (puhdas D).

30Studia Generalia, SYP, 2016

... Tai no: toimii, ei toimi, toimii, ei toimi, ....Tokamak oli harppaus fuusiotutkimuksessaâ Ennuste: joka kotiin tokamak 5ssä vuodessa !

... Mutta…Ohminen kuumennus ei riittänytâ Ulkoinen kuumennusâ 10 000 000 C, yes!

… Mutta …Kun T nousi, niin koossapito laski…â Ojasta allikkoon

… Kunnes …1982 ASDEX-tokamakilla Saksassa

L-H transitio!â Riittävä koossapito, yes!

… Mutta …Plasma alkoi röyhtäillä: hurjia hetkellisiä hiukkas- ja tehopurskeita materiaalipinnoille…

31Studia Generalia, SYP, 2016

Fuusion historia numeroina

Lämpötila (miljoonia K)

palaminen

32Studia Generalia, SYP, 2016

Fuusion edistyminen yhtä ’hidasta’ kuintietokoneiden…

33Studia Generalia, SYP, 2016

Mutta miksi edistys näyttää loppuvan vuoteen 2005?

1970-luvulla öljykriisi

â hurja panostus fuusiotutkimukseenympäri maailmaa

â tokamakeja nousi kuin sieniä sateella80-luvulla

â90’s - 2005 testattiin tokamakiensuorituskykyä ja saavutettiin ennätyksiä

â 2005 – nyt on ollut perustutkimuksenaikaa, valmistautumista reaktori-vaiheeseen

TFTR,Princeton, USA

34Studia Generalia, SYP, 2016

Laitteistokanta alkaa olla varsin iäkästäâ nyt on taas rakentamisen aika !

W7-X, Greifswald, SaksaAloitti operoinnin 2016

JT-60SA, JapaniAloittaa operoinnin 2019

ITER, Cadarache, RanskaAloittaa operoinnin 2025

W7-X(kalvot: Max Planck instituutti)

36Studia Generalia, SYP, 2016

The Magnets 20 planar and 50 non-planarsuperconducting coils

-270°C

37Studia Generalia, SYP, 2016

One module

38Studia Generalia, SYP, 2016

machinebasis

non-planarSC coils

plasmavessel

planarSC coils

outer vessel

thermalinsulation

centralsupport ring

SC bus barsHe pipes

During Assembly

39Studia Generalia, SYP, 2016

Last module complete

40Studia Generalia, SYP, 2016

Machine ready

ITER nousee maasta – tai sen alta!

42Studia Generalia, SYP, 2016

ITERin rakennustyömaa 2011

43Studia Generalia, SYP, 2016

ITERin rakennustyömaa 12/2012

44Studia Generalia, SYP, 2016

Iter.o

rg

ITERin rakennustyömaa 2/2015

45Studia Generalia, SYP, 2016

Iter.o

rg

ITERin rakennustyömaa 2/2016

46Studia Generalia, SYP, 2016

ITERin rakennustyömaa 6/2016

47Studia Generalia, SYP, 2016

Saadaanko fuusioenergiaa töpseliin asti?

Selvitettäviä asioita:

1. Palavan plasman dynamiikka (ITER):– plasmafysiikka

2. Jatkuvatoimisuus (W7-X & Co):– plasmafysiikka + insinöörioppi

3. Plasma-seinämä-vuorovaikutusten hallinta(kaikki kynnelle kykenevät):– plasmafysiikka + atomi- ja molekyylifysiikka +

materiaalifysiikka + insinöörioppi

48Studia Generalia, SYP, 2016

Kotitehtävä kaikilleSeuratkaa vuoden ajan seuraavia linkkejä, niin tarve fuusiolle ehkä kirkastuu.Huom! 1 MW = 1000 kW

« Helsingin hetkellinen sähkönkulutus:– www.helen.fi/Kotitalouksille

« Suomen sähköntuonti:– www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/voimajarjestelman-tila/Sivut/default.aspx

« Suomen suurin aurinkovoimala Suvilahdessa:– https://www.helen.fi/aurinkovoimalat/suvilahti/

«Tuulivoimala: omistajayhtiö Lumituuli– www.lumituuli.fi/tilasto.html

49Studia Generalia, SYP, 2016

Kiitos kiinnostuksestanne!

50

51Studia Generalia, SYP, 2016

Mikä perinteisessä ydinvoimassa on vaarallista?Jälkilämpö.

Ydinreaktoriin ladataan kerrallaan esim vuoden uraanit, jotapoltellaan hissukseen.Käytetty polttoaine on vaarallisempaa kuin tuore:

– radioaktiivista– tuottaa lämpöä Æ jatkuva jäähdytys tarpeen tai muuten

tuloksena voi olla kaasu- tai vetyräjähdys Æradioaktiivinen mömmö voi levitä ympäristöön.