Fuusio.

Pari päivää sitten Lockheed Martin ilmoitti että se on tehnyt läpimurron fuusioreaktoritekniikassa. Aihe herättää skeptisyyttä, ja syystäkin. Poislukien Rossit (E-Cat) ja vastaavat huijarit, fuusioreaktorien käyttöä energiantuotannossa on odotettu "kahdenkymmenen vuoden päästä" jo kuusikymmentä vuotta. Odotus ei alunperin ollut kovin epärationaalista, sillä fysiikassa ja tekniikassa tehtiin parissa kymmenessä vuodessa aivan

Ensimmäinen todistettu fissioreaktio havaittiin 1938, ensimmäinen fissioon perustuva pommi räjäytettiin 1945, sähköä onnistuttiin tuottamaan nettomääräisesti vuonna 1948, ja ensimmäinen kaupallinen fissiovoimala aloitti sähköntuotannon 1954. Aikajana oli kaikkiaan 16 vuotta. Tätä voi verrata siihen, että jokin fysiikan ilmiö olisi havaittu vuonna 1998, vuonna 2005 sitä hyödynnettäisiin aseteknologiassa ja tänä vuonna saisimme kokonaan uudenlaisen teknologian kaupalliseen käyttöön.

Ensimmäinen fuusioreaktio oli osoitettu tapahtuneeksi itseasiassa jo aiemmin. Deuterium-deuterium fuusio saatiin aikaan laboratorio-oloissa jo vuonna 1932, ja fuusioreaktion kyky tuottaa mittava määrä energiaa oli ennustettu jo 1920-luvulla, kun keveiden alkuaineiden massoja vertailemalla oli havaittu, että vety oli hivenen raskaampaa kuin sen olisi järjestyslukunsa puolesta pitänyt olla; jos vety-ytimet yhdistyvät ja muodostavat heliumia, massaa pitäisi hävitä johonkin. Suhteellisuusteoria ennustaa, että massaeron täytyy tällöin jollakin tapaa näkyä vapautuvana energiana.

Ensimmäinen fuusioon perustuva pommi suunniteltiin 50-luvun alussa ja räjäytettiin vuonna 1952. Tällöin puhuttiin ns. vetypommista. Oli siksi jokseenkin ymmärrettävää spekuloida että parinkymmenen vuoden sisään tämäkin energianlähde saataisiin hyötykäyttöön.

En ole ydinfyysikko, vaikka "harrastankin" aihetta hieman. Hiukkasfysiikan tietämykseni rajoittuu kuitenkin melko pinnalliseen suhteellisuusteorian ja heikosti ja pintapuolisesti sisäistetyn kvanttifysiikan ns. standardimallin tuntemukseen. Tämä on tarpeen sanoa, jotta lukijat eivät kuvittelisi minun puhuvan ns suulla suuremmalla.

Se, mitä olen ymmärtänyt fuusioreaktorien esteistä on, että ongelma on periaatteessa siinä, miten fuusioreaktorin reaktiomassa (siis se, joka fissioreaktorissa on siellä polttoainesauvoissa) saadaan pidettyä reaktorissa ja reaktio käynnissä. Tämä on ongelma siksi, että jotta reaktio voi tuottaa nettoenergiaa, reaktiomassan pitää olla tavattoman kuumaa -- puhumme miljoonista asteista. Tämä ei ole ongelma vetypommissa, koska Teller-Ulam- tyyppinen vetypommi voidaan rakentaa tekemällä kylmästä reaktiomassasta kuori perinteisen fissiopommin ympärille, ja fissiopommi sitten tuottaa tarvittavan lämmön jotta fuusio tapahtuu rajusti ja nopeasti. Tällaista energiaa ei kuitenkaan saada talteen millään järkevällä tavalla, sillä räjähdys on väistämättä niin raju, että mikä tahansa reaktori jossa sitä yritettäisiin suorittaa, muuttuu silmänräpäyksen miljoonasosassa plasmaksi.

Itse fuusioreaktion kyllä saa aikaan, jopa kotikonstein. Väittäisin, että jos laittaisin jonkun verran rahaa -- ja puhumme tässä nyt vain muutamista tuhansista euroista -- pystyisin, ehkä hieman jotain tiettyjen alojen asiantuntijoita konsultoiden, rakentamaan itsekin fuusioreaktorin. Itseasiassa tämäkin arvio on pessimistinen; Internetistä löytyy jopa ohjeet. Kyse on niinsanotusta Fusor- tekniikasta. Sen periaate on yksinkertainen: ionisoitunutta deuteriumia kiihdytetään sähkökentässä, ja kun sähkökenttä on riittävän voimakas, tapahtuu fuusioreaktioita. Fusor ei kuitenkaan voi tuottaa nettona energiaa, sillä fuusioreaktioita tapahtuu liian vähän suhteessa kiihdytyksen vaatimaan energiaan. Suurin osa sisäänmenevästä energiasta karkaa ns. jarrutussäteilynä (vai mikä suositeltu suomennos onkaan sanalle Bremsstrahlung). Vaikka fusorissa tapahtuvat fuusioreaktiot sinänsä tuottavatkin energiaa, ei optimaalisinkaan lämpökone kykene saamaan energiaa nettona ulos.

Mikäli olen ymmärtänyt oikein, niin tämä hyötysuhteen ongelma koskee pääsääntöisesti kaikkia sellaisia tekniikoita, joissa plasma yritetään pitää kurissa sähkökenttien avulla.Tämän vuoksi lupaavimmat tekniikat, kuten ITER perustuvat magneettikenttien käyttöön. Siinä missä sähkökenttä kiihdyttää varatun hiukkasen  kenttäviivojen mukaisesti, magneettikentällä voidaan pakottaa liikkuva varattu hiukkanen kaartuvaan liikeeseen, ns oikean käden säännön mukaisesti. Tästä on monta eri varianttia, itse olen oppinut sellaisen mutoilun, että jos etusormi ja keskisormi laitetaan 90 asteen kulmaan ja peukalo osoittamaan ylöspäin, niin (positiivisen) varauksen liikkuessa etusormen suuntaan ja magneettikentän kenttäviivat osoittavat keskisormen suuntaan, niin varaukseen kohdistuu peukalon suuntaan osoittava voima. (Voin muistaa tämän väärin)  ITER ja vastaavat perustuvat ns Tokamak- periaatteeseen, jossa reaktiokammio on toruksen (aka munkkirinkilä) muotoinen ja magneettikentät pitävät huolen siitä, että positiivisesti varautunut reaktiomassa pyörii ympyrää reaktiokammion sisällä.

Lockheed Martinin teknologia on ymmärtääkseni magneettiseen reaktiomassan hallintaan perustuva, mutta toisin kuin ITER ja käytännössä kaikki muut yritelmät, sen reaktiokammio on sylinterin muotoinen. Wikipedia tietää kertoa että tekniikka tunnetaan nimellä High beta fusion reactor.

Tärkein haaste reaktiomassan hallinnassa on sen lämpötila. Plasman lämpötila ja paine ovat tavallaan vaihdannaisia; korkea paine tarkoittaa että pienemmässä tilassa on enemmän ytimiä, joten törmäysten ja siten fuusioreaktioiden todennäköisyys kasvaa. Korkeammassa lämpötilassa ytimet liikkuvat kovempaa, joten törmäykset ovat rajumpia ja johtavat suuremmalla todennäköisyydellä fuusioon tapahtuessaan. Korkeassa paineessa (kuten esimerkiksi auringon ytimessä) lämpötilan ei tarvitse olla aivan niin suuri kuin matalammassa paineessa, jotta fuusioreaktio pitää itseään yllä. Jos plasma saadaan suureen paineeseen, sen ei tarvitse olla aivan niin kuumaa. Korkea beta tarkoittaa, että paine on korkea verrattuna käytettyyn magneettikenttään; en tarkkaan osaa sanoa mitä kaikkea tällä saavutetaan, mutta yksi tekijä lienee se, että käytettävien magneettien ei tarvitse olla yhtä massiivisia; painetta voidaan nostaa tasolle jossa lämpötila on hieman maltillisempi, ilman että tarvitaan kiinalaisen kerrostalokompleksin kokoista suprajohtavaa magneettia. Lockheed Martinilta spekuloitiinkin, että 100MW voimala heidän teknologiallaan toteutettuna voisi mahtua ison rekka-auton lavalle.

Olen kovin skeptinen tämän suhteen, ihan jo siitä syystä, että "läpimurtoja" on tullut vuosikymmeniä, mutta jokainen on kilpistynyt aina johonkin melko banaaliin syyhyn. En kuitenkaan, tietenkään, totea että design on "mahdoton" tms, vaan että hype voi olla ennenaikaista. Jos Lockheed Martinin teknologia todella on toimiva, maapallon energiaongelmat on ratkaistu kun nämä tulevat markkinoille. Loppu hiili ja öljy voidaan jättää polttamatta, hiili voidaan jättää maahan ja öljystä tehdä jotain fiksua sensijaan että se poltetaan. Sähkön hinta putoaa nykyisestä selvästi, ja energiaintensiivisyys ei ole enää minkäänlainen este mihinkään.