Meddig kell még várni a fúziós energiára?

„Őrült energiát pazarlunk csak arra, hogy kivilágítsuk az éjszakáinkat, és hol van még ez egyébként a mindennapi valós tevékenységeinktől? Ezt az energiát megtermeljük, de ennek súlyos ára van" - utalt a júniusi Budapest Science Meetupon Dr. Dunai Dániel, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársa  az olyan fosszilis energiahordozók, mint az olaj, a szén és a földgáz még mindig túlnyomó részesedésére az energiatermelésben, és az ezzel járó, a globális felmelegedésért felelős szén-dioxid kibocsátásra. Számszerűsítve: az energiafelhasználásunk 90 százaléka gyakorlatilag fosszilis energiából származik.

„Van azonban egy jó hírem, van remény" – mondta Dunai, aki szerint ezt a remény nem más jelenti, mint a fúziós erőmű, amely a csillagok működését lemásolva kontrollált és energiatermelésre használható magfúziót valósítana meg földi körülmények között. 

A Napban a fúziós reakció alapanyaga a hidrogén. A Földön a fúziós reakcióban deutériumot, azaz „nehéz" hidrogént, illetve tríciumot, vagyis „szupernehéz” hidrogént használnánk – magyarázta Dunai az egyik lényeges különbséget a fúziós reaktor és a Napban zajló folyamatok között. A reakció eredményeként a Földön ugyanúgy hélium és elképesztő mennyiségű energia keletkezik, mint a Napban.

1 grammból annyi, mint 10 tonnából

„Ha egy gramm deutérium-trícium-keverékből állítanék elő energiát [...], akkor azt látnám, hogy 1 gramm 10 tonna szénnel egyenértékű" - érzékeltette a fúziós reakció során felszabaduló energia mértékét Dunai, hozzátéve, hogy egy fél kádnyi víz és egy lítiumos telefonos akkumulátor kombinációjából elméletileg 200 000 kWh energia nyerhető ki, amely 50 évre elegendő energia egy átlagos háztartás számára. Dunai reakcióegyenletekkel is illusztrálta az atommag átalakulásával járó nukleáris és az elektronhéjon bekövetkező változással járó kémiai reakciók közötti milliószoros energiafelszabadulási különbséget. Ez természetesen azt is jelenti, tette hozzá, hogy a termelési ár nem üzemanyagfüggő, hanem technológiafüggő, ami általában is igaz a nukleáris iparra, így a normál atomerőművekre is.

Elméletileg tehát csak deutériumra és tríciumra és ezek héliummá történő fúziójára van van szükség, és máris kezdődhet az energiatermelés. Csakhogy nem ilyen egyszerű a helyzet, mondta Dunai, mert bár a deutérium nagyon elterjedt, tríciumot a reaktornak magának kell lítiumból előállítania. Emellett a reaktornak el kell érnie az atommagok fúziójához szükséges hőmérsékletet, amelynek a földi reakcióban a Nap magjában mérhető tízszeresének, 100 millió Celsius-foknak kell lennie. Ennek a 100 millió fokos anyagnak a tárolása természetesen elég nagy kihívás. Szerencsére ezen a hőmérsékleten elektromosan töltött részecskékből álló anyaggal, azaz plazmával van dolgunk, amelyek elektromágnesekkel elszeparálhatók a környezettől.

A plazma és a környezet elválasztását oldja meg a fánk alakú, eredetileg az 1960-as években orosz kutatók által kidolgozott tokamak (toroidális kamra mágneses tekercsekkel). Mint Dunai elmagyarázta, a mágneses tér tórusz formára hajtogatása lehetővé teszi a plazma egyben tartását. Hozzátette, a moszkvai Kurcsatov intézetben 1968-ban létrehozott T1 tokamak berendezésen végzett némely kísérletek még a hidegháború éveiben is brit kutatók közreműködésével zajlottak.

A szovjet csoda, a tokamak és a francia csoda, az ITER

Bár nem ez az egyetlen kutatási irány a fúziós energia kiaknázására, a Tokamak koncepció tűnik jelenleg a legjobb iránynak. Éppen ezért az építés alatt álló Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti reaktor, azaz az ITER is a Tokamak szerkezetet alkalmazza, minden korábbi projektnél nagyobb mértékben. A projekt fő célkitűzése rövid távú, stabil nukleáris fúzió létrehozása úgy, hogy közben a reaktor a plazma létesítéséhez szükséges energia tízszeresét szolgáltassa vissza, ami elméletileg használható lenne elektromos energia termelésre. A Dél-Franciaországban épülő kísérleti reaktor 2025-re készül el, a deutérium-trícium fúziós kísérletek pedig 2035-ben kezdődhetnek. Az ITER 15 milliárd dollár körüli költségének a fő finanszírozója az Európai Unió, de a konzorcium tagja még az Egyesült Államok, Japán, Dél-Korea, India, Kína és Oroszország is.

Az ITER komplexum idén nyári állapota. 63 százalékban készen áll a 2025-ös első plazmakísérletekreForrás: ITER projekt

Mint Dunai elmondta, a 100 millió fokos plazmát az ITER Tokamakjában szupravezető mágnesek tartják majd a helyükön. Továbbá kiemelte, hogy a kísérleti reaktor feladata nem az áramtermelés, hanem a technológiák és a fizikai elméletek tesztelése. Ha minden jól megy, a reaktor 500 megawatt teljesítményt fog leadni, 50 megawatt fűtés felhasználásával. Az ITER fél gramm üzemanyaggal működik majd, amely 350 megajoule hőenergia leadására képes. Ahhoz, hogy ez értelmezhető legyen, Dunai a következő párhuzamot hozta: csak a fúziós reakció hőenergiája egyenértékű 9 darab, 100 tonnás mozdony mozgási energiájával 100 km/h-s sebességnél.

A legfontosabb kérdés persze az, hogy mindez tényleg működik-e majd,  mondta a kutató. Az ITER több évtizednyi, a Tokamak technológiával végzett kísérletezés eredménye, a fejlesztési folyamatot pedig repülőgépmodellek szélcsatornában folytatott teszteléséhez hasonlította. Így minden okunk megvan az optimizmusra abban a tekintetben, hogy a néhány év múlva elkészülő ITER valóban óriási lépés lesz a nukleáris fúzió energiatermelési alkalmazása felé.

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban a szakemberek a Tokamakon belüli plazma viselkedését, ezen belül is annak instabilitását vizsgálják, amelyek károsíthatják a berendezés falát. A kutatók célja ezek megértése és szabályozásának kidolgozása.

Dunai teljes előadása, benne két videóval Tokamak-kísérletek során létrehozott plazmáról itt tekinthető meg: