Ydinfuusion fysikaaliset perusteet energiantuotannossa ja fuusiolaitteiden kehitys

Abstract

Kahden atomin, joiden massaluku on alle 60, yhdistymistä yhdeksi atomiksi kutsutaan fuusioksi. Tämän ydinreaktion seurauksena vapautuu valtavasti energiaa ja sen valjastamista ihmiselle hyödyllisen muotoon on tutkittu yli 50 vuoden ajan. Keskeisin tavoite tälle pro gradu -tutkielmalle oli selvittää lämpöydinfuusion fysikaaliset perusteet, minkälaisia merkittäviä läpimurtoja fuusiotutkimuksessa on saavutettu ja toisaalta minkälaisia ratkaisemattomia ongelmia energiantuottoon kykenevän fuusiovoimalan edessä on. Edistysaskelien ja ratkaisemattomien ongelmien osalta keskitytään menestyksekkäimpään koelaitteeseen, tokamakiin. Tähän mennessä erilaisia koejärjestelmiä on ehdotettu useita, mutta tokamak konsepti on näistä eniten tutkituin ja huomattavasti edellä muita. Tokamakin menestys perustuu useaan seikkaan. Ensinnäkin se pystyy kuumentamaan fuusiotuvien ytimien lämpötilan niin korkeaksi, että fuusio on mahdollinen. Toiseksi fuusio on ylipäänsä mahdollista, koska tokamakissa energia ei karkaa ympäristöön liian nopeasti. Lisäksi tokamakin etuna on suhteellisen yksinkertainen rakenne, joka on osoittautunut helpommaksi ja halvemmaksi rakentaa kuin muut koelaitteet.