A termonukleáris energia jelene

Világ hidrogénjei, egyesüljetek!

Tudomány

A jövő energiatermelésének lehetnek a kulcsai a fúziós reaktorok, fejlesztésük egyelőre kísérleti fázisban van. Az európai kutatások alappillére nyáron lép üzembe Németországban, magyar részvétellel.

Nem mondunk sokat, ha úgy fogalmazunk, hogy a fúziós energiatermelés az emberiség régi vágya, különös tekintettel arra, hogy a hagyományos, amúgy sem megújuló energiaforrások változó mértékben ugyan, de drágák, s néha hozzájuk jutni is kockázatos. (Lásd Magyarország mindenkori kormányainak, pláne a mostaninak e tárgykörben bemutatott formagyakorlatait.) Az eddigi, számos szempontból biztatónak tűnő kutatások során már többféle termonukleáris típusú berendezés is készült – ezek közül a sztellarátor az egyik legrégebbi és leg­ígéretesebbnek tűnő megoldás egy pozitív energiamérlegű fúziós erőmű megépítéséhez.

 

Ami égi, ne hozd a földre

A földi léptékben megvalósítható szabályozott (tehát nem bombasztikus) termonukleáris fúzión dolgozó kutatók nem kispályáznak: rögtön a csillagok, így a Nap belsejében zajló reakciókat akarják létrehozni a Földön. Ennek egyik lehetséges eszköze az említett sztellarátor. Ez egy olyan berendezés, amely erős mágneses terekkel tartja össze a magas hőmérsékletű, nagy nyomású, elfajult, azaz plazmaállapotú fűtőanyagot a szabályozott magfúzió létrehozásához. A berendezést Lyman Spitzer (1914–1997) amerikai fizikus találta fel 1950-ben, és a következő évben meg is épült belőle az első a princetoni plazmafizikai laboratóriumban. A sztellarátor név arra utal, hogy a Napban zajló reakciókat a Földön megvalósítva hozzák létre a szabályozott magfúziót, amellyel hatalmas mennyiségű tiszta (optimális esetben üvegházhatást és atomhulladékot sem produkáló) energia állítható elő. Az 1950-es évektől kezdve még számos ilyen típusú berendezés létesült, de az akkori, kivédhetetlennek tűnő technikai nehézségek hátráltatták a fejlesztéseket, ráadásul hiányoztak a szuperszámítógépek, amelyek elvégezték volna a szükséges számításokat.

false

 

Fotó: Sióréti Gábor

Ellenben a másik ígéretes, mágneses összetartású fúziós berendezéstípus, az úgynevezett tokamak (orosz mozaikszó – toroid kamra mágneses tekercsekkel) sokkal gyorsabban fejlődött, már csak egyszerűbb kialakítása miatt is. A berendezés tekercs alakú csatornába gyűjti a plazmát, melynek mentén helikális (spirál) alakban halad az erős toroid mágnesekkel terelt és egyben tartott forró, elfajult anyag anélkül, hogy a reaktor falához érne. A tokamak ma is az energiatermelő fúziós erőművek kutatásának és építésének fő iránya (lásd az ITER-ről szóló keretes írásunkat), a most működő legnagyobb ilyen típusú fúziós kísérleti berendezés, a JET (Joint European Torus – kb. Közös Európai Gyűrű) az angliai Oxford­shire-ben található. Ám időközben a technikai fejlődés eljutott arra a szintre, hogy a sztellarátorok – számos előnyös tulajdonságuk miatt – jó alternatívái legyenek a tokamakoknak, s az évtizedes lemaradást pótolva ismét a rivális nyomába eredhessenek.

A sztellarátor és a tokamak, azaz a fúziós reaktorok két alaptípusa közötti alapvető különbség az, hogy a tokamakban egy központi tekercs található, amely áramot hajt a plazmában. Ez megcsavarja a mágneses teret, és lehetővé teszi a plazma összetartását. Ezzel szemben a sztellarátorban nincs központi tekercs, nem hajtanak áramot a plazmában, a csavart mágneses teret bonyolult alakú külső tekercsekkel hozzák létre – ezeket folyékony héliummal hűtik le és teszik szupravezetővé. Így számos, a tokamakok esetében fellépő nehézség kiküszöbölhető, viszont egy ilyen berendezés tervezése és megépí­tése sokkal összetettebb feladat. Mindez fokozott erőfeszítésre sarkallta a kutatókat, akiket vélhe­tően már csak azért is fűt a bizonyítási vágy, mivel mostanában sokan hajlamosak legyinteni a fúziós energiáról hallva. Ebben közrejátszik több közelmúltbéli rossz emlékű, a hidegfúziós kísérletekhez kapcsolható tudományos szélhámosság. De ezeknek semmi közük sem a tokamakokhoz, sem a sztellarátorokhoz. Mondanunk sem kell, hogy a kísérleti berendezések elkészültének egyre kitolódó határideje, s az egekbe száguldó költségei is fokozzák a szkepszist.

Mindenesetre a közvetlen környékünkön hatalmas előrelépésnek lehetünk tanúi – leginkább persze azok a remek kutatók, szakemberek, akik munkát kaptak a projektben. A Wendelstein 7-X (W7-X) nevű sztellarátor Németországban, egészen pontosan a Balti-tenger partján fekvő Greifswaldban épül a Max Planck Plazmafizikai Intézet irányításával, indítását idén nyárra tervezik. A W7-X-et a világ legbonyolultabb fúziós berendezésének (önreklámja szerint: a sztellarátorvilág JET-jének) tartják a mérete, illetve amiatt, hogy következő lépésként – ha a kísérletek kedvező eredményekkel zárulnak – a jövőben egy hasonló, akár erőmű méretű berendezés is épülhetne a bázisán. De a Wendelstein 7-X más szempontból is kulcsfontosságú: az európai fúziós kutatások egyik alappillére, egyben Németország egyik legnagyobb kutatás-fejlesztési beruházása. Ebből a szempontból különös büszkeségre ad okot, hogy a W7-X-hez magyar kutatók és mérnökök terveztek és építenek tíz kamerából álló, intelligens videomegfigyelő rendszert a létesítmény biztonságos működésének érdekében, amely már a nyitás pillanatától fontos szerepet játszik. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont szakemberei tavasszal véglegesítik és tesztelik a rendszert, hogy a nyári induláskor minden a legnagyobb rendben legyen: feladata az lesz, hogy megvédje a W7-X-et a károsodástól, ha esetleg elromlana a reaktor. A kamerák az egész berendezés belsejét látják, és az áttekintő képek mellett egyes kritikus területek monitorozására, illetve az adatok valós idejű feldolgozására is alkalmasak – a képek alapján a vezérlőrendszer szükség esetén biztonsági leállást hajt végre. Mindez nem is az egyetlen hozzájárulás az úttörő jelentőségű plazmafúziós kutatásokhoz: magyar kutatók a W7-X mellett a világ több más vezető fúziós berendezése számára is építenek és üzemeltetnek hazai fejlesztésű mérőberendezéseket.

Mivel megy a reaktor

A nukleáris fúzió megvalósításához még mindig számos műszaki problémát kell leküzdeni. Ezek közül az első az üzemanyaggal kapcsolatos. Olyan anyagokról van szó, melyek atommagjai hatalmas – a reaktorokban vélhetően nagy teljesítményű, s szintén fejlesztés alatt álló lézerekkel elérhető – hőmérsékleten egyesülnek energiafelszabadulás közben. A hatalmas hőmérséklet magasabb mozgási energia eléréséhez szükséges, hogy a pozitív töltésű atommagok legyőzhessék az elektrosztatikus taszítást. A közvélekedés, részben a ter­­mo­nuk­leáris fegyverek működésének ismeretében, leginkább a deuté­rium-trícium elegyet tartja számon. Valóban ezt használja a legtöbb tudományos, inkább tervezett ipari és nagyon is valós katonai alkalmazás. Mint közismert (lásd: Van benne valami? című írásunkat, Magyar Narancs, 2015. január 29.), a deutérium és a trí­cium a hidrogén természetes izotópjai: a deutérium nem csekély mennyiségben fordul elő a természetben, és dúsítása jóval egyszerűbb feladat, mint mondjuk az uráné. A trícium a keményebb dió: ez is keletkezik a természetben, ám mostanság nem kis részben emberi beavatkozás révén is, például nehézvízhűtésű reaktorokban, épp a deutériumból. Erősen radioaktív anyag, 12,32 éves (nem túl rövid, de azért nem is oly hosszú) felezési idővel, s tárolása éppen oly bonyodalmas, mint a szimpla hidrogéné, s éppolyan nagy a gáz kiszökésének veszélye, de ez esetben komoly radioaktív szennyezés is érné a környezetet. A fúziós célokra használható tríciumot amúgy lítiumból (kicsiny atommaggal rendelkező alkálifém) állítják elő neutronbesugárzás révén – így történik az úgynevezett „száraz” termonukleáris bombákban is. A békés célú reaktorokban a neutronokat éppen a deutérium-trícium fúzió szolgáltatja, azaz a folyamat voltaképpen önmagát tartja fenn – csak a lítiumot kell pótolni, ami azért elég ritka és drága nyersanyag. Min­den­­­esetre ez a folyamat termelné az energiát korunk valamennyi kísérleti fúziós reaktorában – sztellarátorban ugyanúgy, mint tokamakban. Aki kockázatosnak tartaná a folyamatban kulcsfontosságú trícium előállítását és tárolását, használhat pusztán deutérium nyersanyagot – a deutérium-deutérium fúzió éppen úgy a laboratóriumi kutatások tárgya (s nem mellesleg ezzel dolgoztak volna a kétes sikerű, s még kétesebb hírű hidegfúziós, asztali energiatermelők), ám ez a megoldás megint számos gonddal jár. A deutérium-deutérium fúzió például azonos valószínűséggel eredményez héliumot és tríciumot, s az utóbbival megint csak kezdeni kell valamit: a trícium ugyan maga is elégne a fúziós folyamat során, ez azonban bónusz mennyiségű neutront termelne, közöttük igen nagy ener­giájúakat. Éppen ezért inkább kivonják, s legfeljebb a bomlásából képződő hélium-3 izotópot használják fúziós üzemanyagként. Egy ilyen, amúgy nem kevés előnnyel járó folyamat (lítiumforrásoktól való függetlenség, destruktív neutronok hiánya) megvalósításához harmincszor hosszabb ideig kell a plazmát nagy nyomáson és hőmérsékleten elzárva áramoltatni. Ráadásul ugyanazon a hőmérsékleten azonos mennyiségű anyag 68-szor kevesebb energiát termelne. Más, az üzemi működést zavaró neutrontermeléssel egyáltalán nem járó, viszont csak magas hőmérsékleten működő alternatívák (például a proton-bór reakció) még ennél is kísérletibb fázisban vannak, s megvalósításukhoz további innovációkra van szükség. Így egyelőre használatban marad a magfúzióban egymásra szoruló két derék hidrogénizotóp.

Épül az ITER

A Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor (ITER) olyan nemzetközi kutatási-fejlesztési megaprojekt, melynek célja a világ eddigi legnagyobb kísérleti termonukleáris energiatermelő egysége, egy afféle „megatokamak” megépítése. A projektről 2006-ban állapodott meg Dél-Korea, az Egyesült Államok, az Európai Unió, India, Japán, Kína és Oroszország – azaz a világ szinte minden fontosabb kutatási-fejlesztési nagyágyúja. A projekt házigazdája az Európai Unió, mely a költségek 45 százalékát állja (a többiek fejenként 9 százalékot) – ezek után nem meglepő, hogy a tokamak a franciaországi Provence-ban található Cadarache tudományos központban épül. 2007-ben kezdődtek a munkák, s most úgy tűnik, hogy 2019-re el is készül a kísérleti reaktor. Az ITER a tervek szerint 500 megawatt energiát termel majd, miközben működéséhez csak 50 megawatt bemeneti energia szükséges, így működésével is demonstrálja majd, hogy létezik olyan berendezés, mely hatékonyan képes a fúzió (jelen esetben deutérium-trícium) energiáját elektromos árammá konvertálni. Magának a tokamaknak az építése csak 2013-ban kezdődött el, s az összköltség mostani becslés szerint 16 milliárd euróra rúg, ami több mint háromszorosa az eredetileg kalkulált 5 milliárdnak. 2020-ban amúgy csak a plazmafizikai kísérletek kezdődnek el, 2027-től a konkrét deutérium-trícium fúziós kísérletek. S mindez a tervek szerint csak a kezdet: egy üzleti-demonstrációs fúziós erőmű is épül 2000 megawatt kapacitással, DEMO néven – de működésének első fázisát is 2033-ra teszik.

Neked ajánljuk