Magneetti nostaisi kepeästi lentotukialuksen
Kansainvälinen kokeellinen fuusioreaktori , jonka tavoitteena on osoittaa, että Auringon sisällä tapahtuva fuusioreaktio voidaan toteuttaa hallitusti myös ihmisten toimesta. Aurinko tuottaa energiansa fuusioimalla kaksi vetyatomia heliumiksi. Tämä reaktio toki on opittu samaan aikaan keinotekoisestikin, mutta ainoa käytännön sovellus on vetypommi.
ITER pitää valmistuttuaan fuusioreaktorin aisoissa voimakkailla magneeteilla.
Nämä suprajohtavat magneetit syövät käsittämättömän määrän sähköä, ja koko ITER-projektin ensisijaisena tavoitteena on osoittaa, että fuusioreaktori pystyy tuottamaan enemmän sähköä kuin se syö.
Yhteistyökumppanit vievät osia Ranskaan
Etelä-Ranskaan Cadaracheen lähelle Marseillea nousevaan fuusioreaktoriin tulee useita magneetteja, ja nyt suurin, yhdysvaltalaisen General Atomicsin valmistama keskisolenoidi, on valmistunut. Se on maailman voimakkain magneetti, 280 000 kertaa Maan magneettikenttää vahvempi.
ITER kertoo tiedotteessaan, että magneetilla voitaisiin nostaa kokonainen lentotukialus kahden metrin korkeuteen.
Magneetti kuljetetaan osissa Ranskaan loppukesän aikana.
ITER-hanketta olivat kätilöimässä jo USA:n presidentti Ronald Reagan ja Neuvostoliiton johtaja Mihail Gorbatšov Genevessä vuonna 1985. wikimedia commons
Rajaton energialähde
Fuusio on periaatteessa rajaton ja päästötön energialähde. Polttoainetta deuteriumia eli kansan kielellä raskasta vetyä on 0,015 % kaikesta maapallon vedystä, ja sitä voidaan erotella esimerkiksi merivedestä. Fuusioreaktoria on yritetty rakentaa ennenkin, mutta yhtään energiaa ei koelaitoksista ole saatu ulos.
ITER on tällä hetkellä lähes valmis ja lopullisesti sen uskotaan valmistuvan vuonna 2025. Kansainvälisessä hankkeessa ovat mukana EU:n lisäksi Britannia, Sveitsi, Kiina, Intia, Japani, Etelä-Korea, Venäjä ja USA. Myös Kiinassa on rakennettu osia ITER-reaktoriin. reuters.
Vuosikymmenen suunnittelun ja valmistuksen jälkeen General Atomics on valmis toimittamaan ensimmäisen keskussolenoidin, maailman tehokkaimman magneetin, moduulin. Siitä tulee keskeinen osa ITERiä, konetta, joka jäljittelee auringon fuusiovoimaa.
ITERiä rakentaa Etelä-Ranskaan 35 kumppanimaata. ITERin tehtävänä on todistaa, että vetyfuusioenergiaa voidaan luoda ja hallita maan päällä. Fuusioenergia on hiilidioksiditonta, turvallista ja taloudellista. Materiaaleja, jotka ovat johtaneet yhteiskuntaan vetyfuusion avulla miljoonien vuosien ajan, on runsaasti.
Viimeisten 15 kuukauden aikana (2021) Ranskaan on alkanut saapua valtavia sopivia komponentteja kolmelta mantereelta. Yhdessä koottuna ne muodostavat ITER Tokamakin, ”maan maan päällä olevan auringon”, joka demonstroi fuusiota teollisessa mittakaavassa.
ITER on 35 kumppanimaan yhteistyö: Euroopan unioni (sekä Iso-Britannia ja Sveitsi), Kiina, Intia, Japani, Korea, Venäjä ja Yhdysvallat. Suurin osa ITERin rahoituksesta on lahjoitettujen komponenttien muodossa. Tämä järjestely saa General Atomicin kaltaiset yritykset laajentamaan asiantuntemustaan fuusiossa tarvittavista futuristisista teknologioista.
Keskisolenoidi, suurin ITERin magneeteista, koostuu kuudesta moduulista. Se on yksi suurimmista Yhdysvaltojen ITERiin osallistumista osuuksista.
Täysin koottuna se on 18 metriä (59 jalkaa) korkea ja 4,25 metriä leveä ja painaa tuhat tonnia. Se indusoi voimakkaan virran ITER-plasmaan, mikä auttaa muotoilemaan ja hallitsemaan fuusioreaktiota pitkien pulssien aikana. Sitä kutsutaan joskus ITER-koneen ”sykkiväksi sydämeksi”.
Kuinka tehokas keskussolenoidi on?
Sen magneettinen voima on tarpeeksi vahva nostaakseen lentotukialuksen 2 metrin (6 jalkaa) ilmaan. Ytimessään se saavuttaa 13 Teslan magneettikentän voimakkuuden, joka on noin 280 000 kertaa voimakkaampi kuin maan magneettikenttä. Keskisolenoidin tukirakenteiden on kestettävä kaksi kertaa avaruussukkulan nousun työntövoima.
Keskisolenoidilla tulee olemaan ratkaiseva rooli ITERin tehtävässä luoda fuusioenergia käytännölliseksi, turvalliseksi ja ehtymättömäksi puhtaan, runsaan ja hiilettömän sähkön lähteeksi.
”Tämä projekti on yksi suurimmista, monimutkaisimmista ja vaativimmista magneettiohjelmista, joita koskaan on toteutettu”, sanoo John Smith, GA:n suunnittelu- ja projektijohtaja. ”Puhun koko tiimin puolesta, kun sanon, että tämä on uramme tärkein ja merkittävin projekti. Olemme kaikki tunteneet vastuun työskennellä työssä, jolla on potentiaalia muuttaa maailmaa. Tämä on merkittävä saavutus GA:lle joukkue ja US ITER.”
Central Solenoid -moduuleja valmistetaan GA:n Magnet Technologies Centerissä Powayssa, Kaliforniassa, lähellä San Diegoa Yhdysvaltain ITER-projektin johdolla, jota hallinnoi Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Viisi ylimääräistä keskussolenoidimoduulia sekä yksi varaosa ovat valmistuksen eri vaiheissa. Moduuli 2 toimitetaan elokuussa.
Fuusion lupaus
Vetyfuusio on ihanteellinen tapa tuottaa energiaa. Deuteriumpolttoainetta on helposti saatavilla merivedessä, ja ainoa sivutuote on helium. Kuten kaasu-, hiili- tai fissiolaitos, fuusiolaitos tuottaa erittäin keskittynyttä perusenergiaa kellon ympäri. Fuusio ei kuitenkaan tuota kasvihuonekaasupäästöjä tai pitkäikäistä radioaktiivista jätettä. Onnettomuusriski fuusiolaitoksen kanssa on hyvin rajallinen – jos suojarakenne katoaa, fuusioreaktio yksinkertaisesti pysähtyy.
Fuusioenergia on lähempänä kuin monet ihmiset ymmärtävät.
Se voisi tarjota hiilettömän sähkön lähteen verkkoon, ja sillä on keskeinen rooli, kun Yhdysvallat ja muut valtiot vähentävät tuotantoinfrastruktuurinsa hiilidioksidipäästöjä.
Kahdessa fuusioyhteisön hiljattain julkaisemassa raportissa esitetään tapoja, joilla Yhdysvallat voi päästä sinne Yhdysvaltain energiafuusioenergiatieteiden neuvoa-antava komitea julkaisi raportin, jossa esitetään strateginen suunnitelma fuusioenergian ja plasmatieteen tutkimukselle seuraavalle vuosikymmenelle. Siinä vaaditaan fuusiokoelaitoksen kehittämistä ja rakentamista vuoteen 2040 mennessä.
National Academy of Sciences, Engineering and Medicine (NASEM) julkaisi täydentävän raportin, jossa vaaditaan aggressiivisia toimia pilottivoimalan rakentamiseksi. NASEM-raportissa ehdotetaan suunnittelua vuoteen 2028 mennessä ja fuusiopilottilaitosta vuosille 2035–2040.
”Tällä aikajanalla työskentelyn tarkoitus oli hahmotella, mitä tarvitaan, jotta hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen päästäisiin vuosisadan puoliväliin mennessä. Monet investoinnit ja olennaiset toiminnot olisi aloitettava nyt, jotta aikajanalla saavutetaan.” sanoo Kathy McCarthy, Yhdysvaltain ITER-projektitoimiston johtaja Oak Ridge National Laboratorysta. ”ITERistä saamamme kokemukset integroidusta, reaktorimittakaavaisesta suunnittelusta on korvaamatonta toteuttaessamme toteuttamiskelpoisen, käytännöllisen polun fuusioenergiaan.”
Maailmanlaajuisten resurssien hyödyntäminen fuusiotutkimuksessa
ER (”The Way” latinaksi) on yksi kunnianhimoisimmista energiahankkeista, mitä koskaan on yritetty. Etelä-Ranskassa 35 maan koalitio tekee yhteistyötä rakentaakseen suurimman ja tehokkaimman tokamak-fuusiolaitteen. ITERissä suoritettava kokeellinen kampanja on ratkaisevan tärkeä tulevaisuuden fuusiovoimaloiden valmistelussa.
Vuoden 2006 ITER-sopimuksen mukaan kaikki jäsenet jakavat tasapuolisesti kehitetyn teknologian ja rahoittavat vain osan kokonaiskustannuksista. Yhdysvaltojen osuus ITERin rakennuskustannuksista on noin yhdeksän prosenttia.
”ITER-projekti on historian monimutkaisin tieteellinen yhteistyö”, sanoo tohtori Bernard Bigot, ITER-organisaation pääjohtaja. ”Erittäin haastavia Ensimmäisiä komponentteja valmistetaan kolmella mantereella lähes 10 vuoden aikana johtavissa yhtiöissä, kuten General Atomicin toimesta. Jokainen komponentti edustaa huippuluokan suunnittelutiimiä. Ilman tätä maailmanlaajuista osallistumista ITER ei ovat olleet mahdollisia, mutta yhteisenä ponnisteluna jokainen joukkue hyödyntää investointejaan muilta oppimallaan.”
Sekä ITERin tuottama tekninen oivallus että tieteellinen tieto ovat tärkeitä Yhdysvaltain fuusio-ohjelmalle. Kuten muutkin jäsenet, suurin osa Yhdysvaltojen lahjoituksista on luontoissuorituksena. Tämä lähestymistapa antaa jäsenmaille mahdollisuuden tukea kotimaista valmistusta, luoda korkean teknologian työpaikkoja ja kehittää uusia valmiuksia yksityiselle teollisuudelle.
”Ensimmäisen ITER-keskuksen solenoidimoduulin toimittaminen on jännittävä virstanpylväs fuusioenergian demonstroinnissa ja myös loistava saavutus Yhdysvaltojen kapasiteetille rakentaa erittäin suuria, suurikenttäisiä, korkeaenergiaisia suprajohtavia magneetteja”, sanoo tohtori Michael Mauel Columbiasta. Yliopisto. ”GA:n menestys korkeakentän suprajohtavien magneettien rakentamisessa, testaamisessa ja toimittamisessa fuusioenergiaan on korkean teknologian läpimurto Yhdysvalloille ja antaa luottamusta fuusiovoiman toteuttamiseen tulevaisuudessa.”
”Yhdysvallat on tärkeä jäsen ITER-projektissa, jonka he aloittivat vuosikymmeniä sitten”, Bigot selittää. ”General Atomics, jolla on maailmanluokan asiantuntemus sekä monimutkaisesta valmistuksesta että magneettikenttien tarkasta ohjauksesta, on erinomainen esimerkki yhdysvaltalaisten tiedemiesten ja insinöörien tuoma merkittävä asiantuntemus.”
ITER on ensimmäinen fuusiolaite, joka tuottaa nettoenergiaa plasman läpi, mikä tarkoittaa, että fuusioreaktio tuottaa enemmän lämpöenergiaa kuin plasman lämmittämiseen tarvittava energia. ITER on myös ensimmäinen fuusiolaite, joka ylläpitää fuusiota pitkiä aikoja. ITER tuottaa 500 megawattia lämpöfuusiovoimaa, mikä on yli kolmekymmentä kertaa suurempi kuin nykyinen ennätys JET-tokamakilla Isossa-Britanniassa.
ITERillä on monia ominaisuuksia, jotka ylittävät nykyiset tokamakit. Vaikka ITER ei tuota sähköä, se on kriittinen testialusta integroiduille teknologioille, materiaaleille ja fysikaalisille järjestelmille, joita tarvitaan fuusiopohjaisen sähkön kaupalliseen tuotantoon. ITERissä saatuja kokemuksia käytetään ensimmäisen sukupolven kaupallisten fuusiovoimaloiden suunnittelussa.
”ITERillä on keskeinen rooli Yhdysvalloissa polttavan plasman tutkimustoiminnassa ja se on seuraava kriittinen askel fuusioenergian kehittämisessä”, tohtori Mauel sanoo.
Keskussolenoidi kontekstissa
General Atomicin Magnet Technologies Center kehitettiin erityisesti keskussolenoidin – suurimman ja tehokkaimman koskaan rakennetun pulssitoimisen suprajohtavan sähkömagneetin – valmistamista varten yhteistyössä Yhdysvaltain ITERin kanssa.
Magneettikenttien luominen tokamakissa vaatii kolme erilaista magneettiryhmää. Tokamakin renkaan ympärillä olevat ulkoiset kelat tuottavat toroidisen magneettikentän, joka rajoittaa plasman suonen sisään. Poloidikelat, pinottu renkaat, jotka kiertävät tokamakia sen kehän suuntaisesti, ohjaavat plasman sijaintia ja muotoa.
Tokamakin keskellä keskussolenoidi käyttää energiapulssia luodakseen voimakkaan toroidivirran plasmassa, joka virtaa toruksen ympärillä. Ionien liike tällä virralla puolestaan luo toisen poloidisen magneettikentän, joka parantaa plasman sulkemista ja tuottaa lämpöä fuusiota varten. 15 miljoonalla ampeerilla ITERin plasmavirta on paljon tehokkaampi kuin mikään nykyisten tokamakkien mahdollinen.
ITERin magneeteissa käytetty suprajohdemateriaali valmistettiin yhdeksässä tehtaassa kuudessa maassa. 43 kilometriä (26,7 mailia) niobium-tina-suprajohdetta keskussolenoidille valmistettiin Japanissa. Yhdessä ITERin magneetit luovat plasmalle näkymätön häkin, joka mukautuu tarkasti tokamakin metalliseiniin.