Csillagokat a Földre hozni
Néha a Földön is létrehoznak csillagokat, még ha másképp működnek is: sűrűbbek és magasabb hőfokon égnek. A Napban is működő fúziós energia előállítása a tudósok régi álma, és mára lassan átültetik az elméletet a gyakorlatba. A fejlesztésekben magyar kutatók is részt vesznek.
Kétféleképpen szabadíthatunk fel energiát egy atommagból: a nehéz atommagok hasításával, mint napjaink atomerőműveiben, vagy a könnyű atommagok egyesítésével. Ez a kísérleti stádiumban levő fúzió. Azért van rá szükség, mert az atomerőművek nyersanyaga, az urán sem kimeríthetetlen energiaforrás, idővel el fog fogyni. Ráadásul, a fúziós reaktorban zajló folyamatok elszabadulása esetén nem fenyeget nukleáris katasztrófa, legrosszabb esetben is csak anyagi kár keletkezik a létesítményben. Üzemanyaga, a víz és a lítium kimeríthetetlen, és üvegházhatású gázokat sem bocsát ki. A világ vezető gazdaságai ezért évtizedek óta jelentős összegeket áldoznak fúziós kutatásokra.
Lebegtetni az anyagot
Két atommag egyesüléséből úgy keletkezik energia, hogy az új atommagnak alacsonyabb a kötési energiája, a különbség pedig az új részecskék mozgási energiájaként hasznosul. Ehhez plazmára van szükség, amely a szilárd, a folyékony és a gáz után a negyedik halmazállapot. A plazmát a gáz hevítésével hozzák létre, ekkor az atomok közötti ütközések hatására az atommagokról leszakadnak az elektronok (ionizálódnak). Ez az állapot nehezen tartható fenn, így bármilyen hiba esetén egyszerűen csak leáll az egész folyamat, szemben az atomerőművel, ahol a maghasadásból felszabadult neutronok újabb hasadásokat idézhetnek elő.
– A fúzióhoz százmillió Celsius-fokra fűtjük a plazmát – magyarázza Réfy Dániel fizikus, az Eötvös Loránd Kutatási Hálózatban (ELKH) működő Fúziós Plazmafizika Laboratórium munkatársa. – Egy ilyen hőmérsékletű közeget nagyon nehéz kezelni. Ha beleraknánk egy acéltartályba, elpárologna. Erre kínál megoldást a mágneses tér. Mivel elektromosan töltött részecskék vannak a plazmában, azok mágneses térbe kerülve, annak mentén elkezdenek rendezett pályán mozogni. Egyben tartásukhoz olyan erőteret kell létrehoznunk, amely a saját farkába harap. Így született meg a fúziós reaktorok fánkhoz vagy úszógumihoz hasonlatos, úgynevezett tórusz formája. Ezzel össze lehet tartani a plazmát úgy, hogy közben ne érjen hozzá a berendezés falához.
Sehol máshol az univerzumban
Franciaországban épül az eddigi legnagyobb kísérleti fúziós reaktor, az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). 2025 karácsonyára tervezik az indulást, a húszmilliárd eurós építési költségek negyvenöt százalékát az Európai Unió állja, a maradékot Oroszország, Kína, az Egyesült Államok, Japán, Dél-Korea és India. A történelem egyik legnagyobb tudományos együttműködési projektjén a világ minden táján dolgoznak fizikusok és mérnökök, köztük Magyarországon is. A részt vevő országok nem pénzt adnak rá, hanem legyártják a kulcsfontosságú technikai elemeket, támogatva a hazai ipart. A cél, hogy mindannyian birtokában legyenek majd a know-how-nak, mindenki közzéteszi az eredményeit. Az ITER feladata pedig a technológia kutatása és demonstrációja.
Különleges építmény lesz azért is, mert a plazmát 150 millió (a Nap középpontjánál tízszer nagyobb) Celsius-fokra hevítik, miközben a mágneses teret előállító szupravezető tekercseket mínusz 270 Celsius-fokra kell lehűteni. Ötméteres távon belül ekkora hőmérséklet-különbség sehol máshol nem található az univerzumban.
– A Napban egy kicsit másképp zajlik a fúzió, a teljesítménysűrűsége igen alacsony – így Réfy Dániel. – Egy mikrohullámú sütő működtetéséhez például ezer köbméteres Nap típusú reaktort kellene építenünk a Földön, ami nagyon gazdaságtalan. Ezért a legnagyobb valószínűséggel bekövetkező fúzióra, a deutérium és a trícium összeolvadására törekszünk, ami a hidrogén két izotópja.
Az izotópok egy elem különböző neutronszámú változatai. A deutérium szinte korlátlan mennyiségben rendelkezésre áll, a vízben minden háromezredik molekulában ilyen hidrogénatomok vannak, és ipari eljárással kivonhatók. A trícium nem stabil, felezési ideje 12,3 év, tehát a természetben nem létezik, tenyészteni viszont lehet, a fúziós reaktor falában. A deutérium és a trícium fúziójából ugyanis egy héliumatommag és egy neutron keletkezik. Az utóbbi a falba ütközik, ahova lítiumban gazdag közeget helyeznek: ez a neutronnal kölcsönhatásba lépve héliummá és tríciummá alakul – így termeli újra önmaga üzemanyagát a reaktor. A lítiumból pedig nem kell sok, ha Magyarország öt gigawattos áramtermelését teljes egészében fúziós energiával akarnánk fedezni, ötszáz kilogrammra volna szükség egy évben: ennyi van egy Tesla akkumulátorában.
A reaktor kipufogógáza a hélium, ami a környezetre nem káros. A reaktor belseje erősen radioaktív, a létrejövő neutronok hatására aktiválódik, ezért például a javítás is húszméteres robotkarokkal zajlik. Üzemidejének lejárta után száz évet kell várni, hogy a radioaktivitás a mentességi szintre süllyedjen, ekkor a benne lévő anyagok újra felhasználhatók, szemben az atomerőművek hulladékával, amely több millió évig sugároz.
Sok kicsi…
Összesen negyven mágneses összetartású kísérleti berendezés üzemel világszerte, kutatva a fúziós energiát, az eredményeik pedig idővel összeállnak egy működőképes folyamattá.
Az angliai JET-en (Joint European Torus), a világ jelenleg legnagyobb fúziós kísérletében sikerült nemrég rekordmennyiségű, 59 megajoule fúziós energiát felszabadítani egy öt másodperces kisülés folyamán. Az ITER-ben a fűtőberendezések és mágneses teret előállító tekercsek nagyobb teljesítménnyel és tovább is képesek lesznek üzemelni, de a tapasztalatok fontosak.
Egy másik kihívás a plazma hosszú életben tartása, ezt a rekordot a kínai EAST (Experimental Advanced Superconducing Tokamak) döntötte meg, 17 perc 36 másodpercig a Nap belső hőmérsékletének ötszörösére hevítettek hidrogénplazmát. A legnagyobb hőmérséklet rekordját pedig jelenleg a japán JT-60 tartja, 522 millió Celsius-fokkal.
Az eddigi, kisebb kísérletekből tanultak esszenciája lesz az ITER, ahol minden kulcstechnológia egyszerre van jelen. Utódjaként pedig 2050-ben indulhat az első, valódi energiatermelésre alkalmas, hálózatra kapcsolt fúziós erőmű, az európai Demo.
Magyar vészfék
Magas hőmérsékletű plazmafizikai kutatásokkal Magyarországon főleg az ELKH Energiatudományi Kutatóközpontjában és a BME Nukleáris Technikai Intézetében foglalkoznak. A hazai kutatók elsősorban a plazma mérésére szolgáló speciális eszközök, úgynevezett plazmadiagnosztikák fejlesztésével, gyártásával és üzemeltetésével járulnak hozzá a kísérletekhez.
Teljesen magyar fejlesztés az Edicam, egy intelligens kamerarendszer, amelyből már több is működik európai és ázsiai kísérletekben. Azt figyeli, hogy hozzáér-e a plazma a berendezés falához, reagál a látottakra és szükség esetén figyelmeztetést küld a központi vezérlőbe.
– Hidrogénpellet-injektorokat is fejlesztünk a plazma összeomlásának fékezésére – meséli dr. Zoletnik Sándor, a Fúziós Plazmafizika Laboratórium vezetője. – Ez azért fontos, mert ha nem lassan, irányítottan csökken a plazma hőfoka, hanem hirtelen veszti el a hőjét, ezáltal vezetőképességét, akkor a benne lévő elektronok elkezdenek gyorsulni és egy nyalábba fókuszálódni. Ez az úgynevezett elfutó elektronnyaláb eltalálhatja a falat, az pedig elolvadhat, és a cseréje akár egy évig is eltarthat.
Egy ilyen eseménynek egyébként nem lenne káros hatása a környezetre, de idő- és anyagi veszteséget jelent. Az ITER-ben annyi energiát tárolnak majd a plazmában és a mágneses térben, mint amennyi egy óránként 300 kilométeres sebességgel száguldó vonatszerelvény mozgási energiája. Ha tehát a plazma összeomlását nem is sikerül megelőzni, meg kell próbálni egyenletesen szétoszlatni a falon az energiáját, hogy ne egy helyre koncentrálódjon: ezen dolgozik a hazai kutatócsoport. Mínusz 270 Celsius-fokra fagyasztott hidrogénpelleteket belövő berendezést fejlesztenek, ez lesz a vészfék, egyfajta poroltó. Mivel a baj előrejelzése és bekövetkezte között egy századmásodperc telik el, a másodperc ezredrésze alatt, több ezer kilométeres óránkénti sebességgel kell belőni a pelletet a plazmába. A hidrogénjég elszublimál, hidrogéngáz lesz belőle, így a plazma energiáját hősugárzássá alakítja, egyenletesebben elterítve a teljesítményt a falon. 27 ilyen berendezés működik majd az ITER-ben.
A magyar kutatók többek között bekapcsolódtak az ITER kamrájának falában futó kábelezés tervezésébe, részt vesznek tríciumszaporító falkazetták fejlesztésében, a plazma teljesítményeloszlását mérő, úgynevezett bolométer-kamerák elhelyezésének kidolgozásában is. Négy-öt magyar mérnök mindig kinn van az ITER-nél.