E-TASC Hel: Kuin apokalyptisesta sci-fi-elokuvasta
Fuusiotutkimuksen tekoälytuen keskus (E-TASC Hel) on EU-rahoitteinen EUROfusion-konsortion hanke numeeristen työkalujen parantamiseksi ja yhtenäistämiseksi ITERin ja DEMOn kaltaisten fuusioreaktoreiden rakentamisen avuksi. Parhaillaan rakenteilla oleva ITER on ensimmäinen energiaa tuottamaan kykenevä tokamak-tyyppinen fuusioreaktori. DEMO puolestaan on ITERin seuraaja, ja sen on tarkoitus olla ensimmäinen varsinainen fuusiovoimalan prototyyppi.
Tokamak-fuusioreaktoreiden perusrakenne kehitettiin pitkälti Neuvostoliitossa 1960-luvulla. Optimismi oli huipussaan 1970-luvulla, kun ajateltiin, että kehitteillä on käytännössä loputon energianlähde. Useita tokamak-reaktoreita rakennettiin ja käytettiin eri puolilla maailmaa.
Toimintaongelmia ilmeni kuitenkin pian ja kävi selväksi, että ongelmien ratkaisemiseksi tarvittaisiin kehittyneempää ja suurempaa rakennetta. Ronald Reagan ja Mihail Gorbatšov sopivat jo 1980-luvun puolivälissä kansainvälisen kokeellisen lämpöydinkoereaktorin, ITERin, rakentamisesta. Neuvostoliiton hajottua Reaganin hallinto kuitenkin katkaisi hankkeen julkisen rahoituksen. Näin ollen ITERiä rakennetaan vasta nyt Ranskan Cadaracheen. ITERin rakentaminen aloitettiin vuonna 2010, ja se on tarkoitus saada toimintaan vuonna 2025.
Tokamak-reaktorissa fuusiopolttoainetta kuumennetaan ulkoisella lähteellä yli 150 miljoonaan celsiusasteeseen, mikä on noin 10 kertaa suurempi kuin auringon ytimen lämpötila. Näin korkeassa lämpötilassa ITERissä käytettävät vedyn isotoopit deuterium ja tritium erkaantuvat elektroneiksi ja atomin ytimiksi eli niin kutsutuksi plasmaksi. Varatut hiukkaset liikkuvat äärimmäisellä nopeudella (ytimet noin 1000 km/s) ja ne kahlitaan tyhjiökammion keskelle magneettikentän avulla. Kun deuterium- ja tritiumytimet törmäävät, ne fuusioituvat muodostaen heliumia, vapaita neutroneja ja energiaa. Kun prosessi alkaa tuottaa riittävästi energiaa eli kun hyödynnettävää energiaa syntyy enemmän kuin prosessiin on syötetty energiaa, reaktoria voidaan käyttää voimalaitoksena.
Totta puhuakseni tämä kaikki kuulostaa hullun tiedemiehen mielipuoliselta idealta. Miten fuusioreaktori voi toimia 150 miljoonassa asteessa ilman, että se ei tuhoudu välittömästi? Selityksen ydin löytyy lämpötilan ja lämpöenergian tiheyden välisestä erosta.
Esimerkiksi ulkoavaruudessa aurinkotuulen hiukkasten, joka on hyvin ohutta plasmaa, lämpötila on noin 150 000 astetta, mutta avaruus pysyy silti erittäin ”kylmänä”, koska hiukkasia on niin vähän. ITERissä on polttoainetta vain muutama gramma kerrallaan valtavassa reaktorikammiossa, ja plasman varatut hiukkaset eristetään reaktorin seinämistä magneettikentän avulla.
Tästä huolimatta plasma voi aiheuttaa huomattavia säteilyvauriota. Tämä onkin yksi fuusioreaktorin rakentamisen ydinkysymyksistä – kestävätkö reaktorin materiaalit säteilyvaurioita tarpeeksi pitkään, jotta fuusio olisi varteenotettava energiantuottaja? Toinen säteilyvaurioihin liittyvä riski on se, että plasma saastuu helposti reaktorin seinämissä olevasta säteilyjätteestä ja siten menettää energiantuotantokapasiteettinsa.
E-TASC Hel -hankkeen avulla pyritään löytämään ratkaisuja tämänkaltaisiin kysymyksiin mahdollistamalla numeeriset tietokonemallit ja optimoimalla ne kaikista nykyaikaisimmille supertietokoneille. Yhtä tällaista supertietokonetta rakennetaan parhaillaan vanhaan paperitehtaaseen Kajaanissa Suomessa. Kajaanin tietokoneen, LUMIn, valtava laskentateho perustuu yleiskäyttöisiin grafiikkaprosessoreihin eli lyhyemmin GPU-prosessoreihin. Varjopuolena on tietokoneen monimutkaisuus ja se, että fuusion mallinnuksen laskentakoodeja on muutettava, jotta LUMIn laskentatehoa voidaan käyttää.
Tämä onkin E-TASC Hel -keskuksen tärkein tehtävä – meidän on mallinnettava ITERin ja DEMOn dynamiikka parhaan kykymme mukaan, jotta reaktorit saavat parhaan mahdollisen mahdollisuuden toimia. Tuskin voi liioitella sitä, miten merkittävää toimiva ja tehokas fuusioenergian tuotanto olisi ihmiskunnalle ja mikä vaikutus sillä olisi – tuotetaanhan fuusiossa valtava määrä sähköenergiaa ilman fossiilisten polttoaineiden polttamista. Sähköä, jolla tehtaat pidetään käynnissä, jolla voidaan ladata akkuja tai tuottaa uusiutuvia polttoaineita – toisin sanoen kyse on varsinaisesta Graalin maljasta ilmasto-ongelmien ratkaisemiseen.
Ei ole juuri liioittelua sanoa, että ihmiskunnan tulevaisuus riippuu paljolti tämänkaltaisista hankkeista. On äärimmäisen hienoa olla osa tätä. Hieman melodramaattisesti sanottuna tuntuu vähän siltä kuin olisi mukana apokalyptisessä sci-fi-elokuvassa, jossa joukko tiedemiehiä työskentelee vastoin kaikkia todennäköisyyksiä pelastaakseen ihmiskunnan.
Jan Åström
The writer is Fil. Dr. in Theoretical physics from Åbo Akademi University and a developer of scientific code at CSC.jan.astrom (at) csc.fi
Lue lisää:
- Kolmen miljoonan euron rahoitus EU:lta suomalaiselle fuusioenergian ja tekoälyn tutkimukselle