A legenda szerint Prométheusz ellopta a tüzet az istenektől az embereknek, aminek nem lett jó vége, ám kései utódai ma sem nyugszanak: a Napot akarják a Földre hozni. A tudósok 60 éve állítják, hogy csupán idő kérdése, mikor sikerül beindítani az első önfenntartó földi termonukleáris fúziós reaktort. A pontos választ firtató kérdésekre, hogy mégis, ez mikor következik be, ugyanazt mondják ma is, mint 60 éve: még 20-25 évre van szükség.

Forrás: ITER

A T1-es, minden tokamak őse (Forrás: ITER)

A szabályozott magfúziós kutatások az 1950-es években kezdődtek. Leírva nagyon egyszerű a képlet: könnyű atommagok egyesülnek egy nehezebb atommaggá, megnövekszik a nukleáris kölcsönhatás közöttük, aminek eredményeként felszabadul a nukleáris energia. A megvalósítás viszont annál nehezebb. Annak idején a legnagyobb titokban zajlottak a fúziós kutatások, ami nem volt véletlen, hiszen a hidrogénbomba és a fúziós reaktor működési elvét tekintve egy húron pendül, mert mindkettőhöz elképesztő mennyiségű energia kell.

A leginkább ígéretes fúziós reaktortípus a tokamak, amely szó a toroidális kamra mágneses tekercsekkel orosz kifejezés rövidítése. Az első tokamak megalkotása Igor Tamm és Andrej Szaharov szovjet fizikusok nevéhez fűződik. A Szovjetunió nagy lehetőséget látott ezekben a kutatásokban, ezért 1951-ben a világon elsőként állami program indult a termonukleáris kutatások céljából. Ezek a kutatások a Kurcsatov Intézetben folytak. Az első tokamak prototípusa 1954-ben készült el az intézetben.

A nukleáris energia békés célú felhasználása érdekében szervezett első genfi konferencián került szóba először, hogy ne csak a maghasadás (fisszió) alapú energiahasznosításról beszéljenek, hanem a fúziósról is. Ekkor azonban még senki sem volt hajlandó beszélni a folyamatban lévő kutatásokról. Az oroszok törték meg a hallgatást, és 1956. április 25-én Harwellben nagy meglepetésre Igor Kurcsatov megtartotta híres beszédét a szovjetek nagy áramú, pulzált plazmakisüléseiről. Kurcsatov előadásával új utat nyitott, ám az is tény, hogy a kezdeti lelkesedés utóbb alábbhagyott, amikor kiderült, hogy nem sikerül tartósan fenntartani a fúziót, és egyben tartani a plazmát.

Mindazonáltal az 1958-as második genfi konferenciára már több mint száz, fúziós kutatásokkal foglalkozó publikáció érkezett főleg német, angol, szovjet és amerikai kutatóktól. Ez a konferencia világított rá arra, hogy a fúziós kutatások világszerte egy irányban haladnak, és a kutatók ugyanazzal a kihívással szembesülnek mindenütt. Ezek közül az a leglényegesebb, hogy miként lehet huzamosabb ideig egyben tartani a több millió fokos plazmát, és fenntartani a fúziót.

A szovjet fúziós program és a fejlesztések eredményként 1958-ra a prototípus után elkészült a világ első „igazi” tokamakja. Később Lev Arcimovics vezetésével a T3-as és T4-es tokamakok 10 millió Celsius-fokra hevített plazmája új reményt adott, és valóságos tokamaképítési lázat indított el a világban. Mintegy 300 berendezés létesült Európában, Japánban és az USA-ban – és persze Oroszországban. Mindmáig a tokamak a legsikeresebb, leginkább perspektivikus fúziós berendezéstípus a világon.

A világ jövőbeli villamosenergia-ellátásának az egyik legperspektivikusabb módja lehet a magfúzió. A fúziós üzemanyag két összetevője a deutérium és a trícium, amelyek a hidrogén nehezebb és ritkábban előforduló izotópjai. A deutérium évmilliókig elegendő mennyiségben megtalálható a természetes vizekben, a trícium viszont rendkívül ritka a természetben, de előállítható a Földön szintén hatalmas mennyiségben található fémből, a lítiumból. A lítiumot elektromos berendezések (mobil, notebook) akkumulátorában szintén használják.

A fúziós üzemanyag tehát gyakorlatilag korlátlanul rendelkezésre áll. Ez az energia emellett rendkívül környezetbarát, hiszen az energiatermelés szén-dioxid és egyéb káros anyag kibocsátásától mentes. A fúziós erőművekkel hatalmas mennyiségű energia termelhető folyamatosan és állandó teljesítmény mellett. Ha például egy egymilliós lélekszámú város energiaigényét vesszük, akkor azt 400 ezer tonna szén, 250 ezer tonna olaj vagy mindösszesen 60 kg fúziós üzemanyag fedezheti. Egy másik szemléletes példa: 1 liter tengervíz és 5 gramm lítiumérc felhasználásával annyi energia termelhető, mint amennyit 360 liter benzin elégetésével nyerhetünk. Ha a fúziós energiatermelés megvalósulna, akkor képes lenne hosszú távon határtalan mennyiségű energiát biztosítani az emberiségnek.

A fúziós energia alkalmazása és egy fúziós erőmű építése azonban nem egyszerű feladat, hiszen a Nap hőmérsékleténél tízszer forróbbra, 100-150 millió Celsius-fokra kell hevíteni a fúziós üzemanyagot, és ezen a hőmérsékleten össze is kell tudni tartani a plazmát annak érdekében, hogy a fúzió fenntarthatóvá váljon. A technológiai fejlődés ugyanakkor határtalan, hiszen a világ tudósai immár hatvanéves nemzetközi összefogással azon dolgoznak, hogy az újabb és újabb tudományos fejlesztések és eredmények felhasználásával egyre közelebb kerülhessünk a fúziós energia kereskedelmi felhasználásához, azaz ahhoz, hogy a fúziós energiatermelés lehetősége az emberiség szolgálatába álljon. Ehhez azonban még számtalan technológiai problémát kell megoldania a mérnököknek és a fizikusoknak.

Egy jövőbeli fúziós erőműben a fúziós üzemanyagokat, a tríciumot és a deutériumot különböző módszerekkel 150 millió fokosra hevítik. Az egyik ilyen módszer mikrohullámokat alkalmaz a mikrohullámú sütőhöz hasonlóan. Az így létrejövő forró plazmát el kell határolni a tartály falától, mert különben lehűlne, és közben a tartályt is károsítaná. Ezt egy erős, úszógumi geometriájú mágneses térrel lehet megvalósítani. A plazma töltött részecskéi több tízezer kilométert tesznek meg, ahogy a mágneses erővonalakat követve róják a köröket, a falat nem érintve. Az ilyen toroidális kamrát, amely mágneses tekercsekkel van ellátva, hívják tokamaknak. A fúziós reakció másik terméke egy nagy energiájú neutron, amely töltéssel nem rendelkezvén nincs összetartva a mágneses tér által, így a berendezés falába ütközik, ahol az energiáját átadja valamilyen hűtőközegnek, és közben a lítiumból tríciumot is termel. A felmelegített hűtőközeg energiáját felhasználva gőz állítható elő a reaktoron kívül, amivel végeredményképpen villamos energia vagy például hidrogén termelhető.

ITER (Forrás: ITER)

Jelenleg a fúziós energiatermeléséhez vezető út legfontosabb állomása a dél-franciaországi Cadarache-ban a tényleges megvalósulás szakaszába lépett ITER (Internetional Termonuclear Experimental Reactor), amely az eddigi legnagyobb tokamakberendezéssel új tudományos-technológiai szintre emeli a fúziós kutatásokat, hiszen számos fizikai folyamatot, illetve technológiai megoldást itt lehet majd először tesztelni. Kiemelt cél az 50 MW fűtőteljesítmény mellett az 500 MW fúziós teljesítmény elérése, ezzel demonstrálva a fúzió energetikai felhasználásának lehetőségét, valamint a trícium-előállítási megoldások tesztelését is.

Az ITER-projekt tagjaként az Európai Unió, Oroszország, az Amerika Egyesült Államok, Kína, India, Japán és Dél-Korea egyesítette szellemi, fejlesztési és gyártási képességeit a tudomány egyik legnagyobb birodalmának meghódítása érdekében, amely a Földön reprodukálni akarja azt a határtalan energiát, amely a Napot és a csillagokat táplálja. A projekt tagjai három kontinenst, a világ népességének a felét és a globális GDP 85 százalékát képviselik. A beruházási költség közel 45 százalékát az Európai Unió biztosítja, a hat technológiai és gazdasági nagyhatalom (Oroszország, USA, Kína, India, Japán és Dél-Korea) pedig egyenlő arányban osztozik a beruházási költség maradék részén. A beruházáshoz több mint tízmillió alkatrész legyártása szükséges.

2017 augusztusában a tokamak épületegyüttes építése rohamléptekkel halad (Forrás: ITER)

A nemzetközi beruházás előrehaladása már nemcsak az építési területen érzékelhető, hanem az adott országok által fejlesztett és legyártott részegységek, berendezések beszállításában is. A 39 tervezett épület közül például a tokamak épületegyüttes építése szinte rohamléptekkel halad, hiszen annak alagsori szintjei már elkészültek, jelenleg már a talajszint feletti részek épülnek. A berendezések szállítását illetően pedig az USA és Kína által gyártott hat transzformátort már beszerelték, India leszállította a kriosztát összes alapelemét, Oroszország az ITER számára kulcsfontosságú részegységeket és számos más, magas technológiai szintet képviselő berendezést szállít. Az orosz beszállítók összesen 25 rendszert biztosítanak a projekt számára. 2017. október elején például az elektrotechnikai berendezések harmadik tétele, 85 tonna alumínium DC gyűjtősín és rendszerösszetevő elhagyta a szentpétervári kikötőt Cadarache irányában.

A jelenlegi frissített tervek szerint az első plazma 2025 decemberéig, a deutérium-trícium üzemanyagon alapuló, teljes teljesítményű üzem pedig 2035 körül várható. Ezt követően pedig 2040-re, de inkább 2050-re teszik az első olyan fúziós reaktor, a DEMO létrehozását, amely a villamosenergia-hálózatba is képes lesz energiát táplálni.

A projekt már a megvalósítás jelenlegi szakaszában is pozitív hatást gyakorol azon európai iparágakra, valamint a kis- és középvállalatokra, amelyek aktívan részt vesznek a nemzetközi projekthez szükséges egyedi technológiai alkatrészek fejlesztésében és gyártásában. 2008 és 2016 között 20 uniós tagállam és Svájc mintegy 300 vállalkozása, köztük kkv-k, valamint 60 kutatóintézet nyert el csaknem 4 milliárd euró megrendelést. Az ITER-projektben az Európai Unió fúziós kutatási programjának tagjaként az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és a BME munkatársai is részt vesznek. Számos részfeladat megvalósításával magyar fizikusok és mérnökök is hozzájárulnak az ITER megépítéséhez.

Hárfás Zsolt

(energetikai mérnök, okleveles gépészmérnök)