Uusi kokeellinen fuusiolaite on kompaktin kokoinen ja aiempaa tehokkaampi

Fuusiolaitteiden tehtävänä on jäljitellä Auringon sydämessä tapahtuvaa prosessia ja vapauttaa energiaa tultakin kuumemmassa, sähköisesti varatussa kaasussa eli plasmassa. Vety-ytimien yhdistyminen edellyttää 150 miljoonan celsiusasteen lämpötiloja. Fuusiolaite MAST Upgrade on nyt aloittanut virallisesti toimintansa seitsemän vuotta kestäneiden parannusten jälkeen. Aalto-yliopiston tohtorikoulutettava Patrik Ollus tekee simulaatiotyötä tätä kokeellista fuusiolaitetta varten.

Kolmen metrin levyinen MAST Upgrade -laite on vain hiukan suurempi kuin Airbus A380 -superjumbon suihkumoottori. Se on varustettu aiempaa voimakkaammilla magneeteilla ja uusilla apulaitteilla sisällä vellovan plasman seuraamiseksi ja hallitsemiseksi. Sen kuumennustehoa on myös lisätty vahvemmilla neutraalihiukkassuihkuilla ja plasmapurkausten kestoa pidennetty jopa viiteen sekuntiin.

Patrik Ollus on laskennallisen tieteen osaaja ja tutkii atomien ja ytimien välisiä reaktioita ja niiden vaikutusta fuusioplasman kuumenemiseen. Tällaiset prosessit ovat erityisen tärkeitä MAST Upgradessa, joka tarjoaa ihanteellisen ympäristön ennusteiden testaamiseen.

”Pääsen viimeinkin vertaamaan uuden numeerisen työkalumme laskentatuloksia MAST Upgraden todellisiin mittausarvoihin. Tutkimukseni seuraava askel on ennusteiden laatiminen sekä avustaminen vielä suurempien fuusiolaitteiden suunnittelussa. Haluan toimia sillanrakentajana plasman sisäisistä yksityiskohdista puhuvien teoreettisten fyysikoiden ja seinämälaattojen neliömetrikohtaisen kuormituksen megawattimääristä kiinnostuneiden insinöörien välillä”, Patrik Ollus kertoo.

Kompakti koko

Laitteen pienempi koko voi olla avain pieniin, taloudellisesti kannattaviin tulevaisuuden fuusiovoimalaitoksiin.

”Pienemmän kokonsa ansiosta nämä laitteet ovat periaatteessa joustavampia, halvempia ja nopeammin muunnettavissa. Niitä voi päivittää tavoilla, jotka eivät yksinkertaisesti ole samalla tavalla mahdollisia suuremmilla laitteilla”, sanoo Sara Moradi, EUROfusionin Medium-sized Tokamak -työpaketin koordinaattori.

MAST Upgraden keskeinen osa on mutkikas uusi diverttori eli poikkeutin, joka on erityisesti tarkoitettu viilentämään ulos virtaavaa plasmaa ja suojaamaan poistopuolen seinämää. Tyypillisesti tokamak-laitteen sisäseinämiä suojellaan superkuumalta plasmalta magneettikentillä. Tämä ei kuitenkaan koske poikkeutinta. Sen on selvittävä lämpötiloista ja hiukkastörmäyksistä, jollaisia esiintyy lähimpänä Auringon pinnalla. MAST Upgraden suunnittelussa pyrittiin kokeilemaan uusia tapoja jäähdyttää kuumaa plasmaa, ennen kuin se koskettaa ja kuormittaa poikkeutinta normaalin plasmanpoistoprosessin aikana.

Plasman jäähdyttämiseksi MAST Upgraden poikkeuttimen lähelle on asennettu uusia magneettikäämejä. Näin plasma saa enemmän aikaa ja tilaa säteillä pois energiaa ennen kuin se lopulta saavuttaa poikkeuttimen seinämän. Tekniikan odotetaan vähentävän poikkeuttimen kulumista ja pidentävän tulevien fuusiovoimalaitosten käyttöikää.

VTT koordinoi fuusiotutkimusta Suomessa ja osallistuu EUROfusion-tutkimusohjelman suunnitteluun ja toimeenpanoon. Jos kaikki menee suunnitelmien mukaan, MAST Upgrade toimii kokeellisesti kymmenen päivän ajan joulukuussa, ja töitä on määrä jatkaa vuoden 2021 puolella. Seuraavat laiteparannukset on määrä toteuttaa vuonna 2023. Suunniteltuihin parannuksiin kuuluvat neutraalisuihkukuumennuksen tehostaminen, valvontalaitteiden päivitykset vellovan plasman kesyttämiseksi sekä jäähdytysjärjestelmä ylimääräisen lämpökuormituksen poistamiseksi poikkeuttimelta.