Fuusioteknologian ja plasmafysiikan opetussisällön kehittäminen energiatekniikan opiskelijoille

Abstract

Insinöörityössä oli tarkoitus selvittää fuusiotekniikan ja plasmafysiikan kannalta keskeisiä konsepteja ja toteutustapoja ja käydä ne läpi suomeksi olemassa olevan kirjallisuuden ollessa lähinnä muilla kielillä. Tämän pohjalta tehtiin oppimateriaali, jota voidaan käyttää tulevaisuudessa energiatekniikan opiskelijoiden koulutuksessa.

Työssä selvitettiin ensin atomin rakennetta, mitä fuusio tarkoittaa ja miten fuusiotapahtumat tuottavat energiaa ja millä perusteella fuusiopolttoaineet valitaan. Esimerkkeinä käytettiin vedyn isotyyppejä deuteriumia ja tritiumia niiden ollessa nykyisen fuusiotutkimuksen valossa parhaat kandidaatit polttoaineiksi. Seuraavaksi työssä käytiin läpi plasman fysiikkaa ja käytösmalleja, jotka määrittävät, miten fuusiotekniikka voi lähestyä fuusion hyödyntämistä energiantuotantoon, mitä muita applikaatioita plasmalla on fuusioenergian lisäksi, ja keskeisiä tekniikan konsepteja, jolla arvioidaan fuusioreaktorin performanssia. Reaktorin kyettävä tuottamaan reaktiolla talteen otettavaa energiaa enemmän kuin mitä reaktion luominen ja ylläpitäminen vaativat.

Insinöörityön kaksi viimeistä osiota kävivät läpi kaksi fuusioenergiatekniikan päähaaraa: magneettisesti kontrolloidun fuusion (MCF) ja inertiaalisesti kontrolloidun fuusion (ICF) kehitystä, toteutustapoja, laitteistoja ja potentiaalisia haasteita ja kustannuksia. MCF käyttää vahvoja magneetteja kontrolloimaan plasmaa ja sen käytöstä, ja sen eniten tutkimusta saaneet reaktorikonseptit ovat stellaraattori, josta työssä esimerkkinä Wendelstein 7-X reaktori, ja tokamak, josta työssä esimerkkinä ITER. Inertiaalisessa fuusiossa plasma pysyy kasassa Newtonin kolmannen lain mukaan siinä luodun räjähdyksen vastareaktion voimalla, ja työssä esimerkkinä oli National Ignition Facility, joka ensimmäisenä maailmassa saavutti fuusiosytytyksen. Vaikka molemmat tutkivat fuusiota ilmiönä, on niiden välillä suuria eroja erityisesti itse toteutustavassa ja laitoksissa sekä plasman käytöksessä. Plasman käytösmallien parempi ymmärtäminen ja simuloiminen ovat oleellisia, jotta plasmassa tyypillisesti ilmeneviä epävakauksia voidaan ehkäistä ja kontrolloida. Työn tuloksena saatiin kompakti teksti, jonka avulla luoda oppimateriaali energiatekniikan opiskelijoiden käyttöön, joilla ei ole aiempaa ydintekniikan tai plasmafysiikan taustaa, avaten jatkomahdollisuudet syvempään opiskeluun aiheen parissa.