Történelmi áttörés a fúziós energiában: amerikai kutatók elérték a breakeven pontot

Amerikai kutatók évtizedek óta remélt áttörést értek el a fúziós energia kutatásában, a kaliforniai National Ignition Facility (NIF) lézeres fúziós berendezés segítségével. Egy december 5-i kísérletben a fúziós reakció során most először több energia szabadult fel, mint amennyit beletápláltak, ami reményt ad arra, hogy a fúziós energia a jövőben alkalmassá válhat energiatermelésre.

A fúziós kutatásokban tudományos breakevenként ismert pont eléréséről először a Financial Times írt vasárnap; a cikkben a kísérletekre rálátó szakemberekre hivatkoztak, majd hétfőn a New York Timesnak kormányzati források is megerősítették az információt. Az eredményt hivatalosan kedd délután, magyar idő szerint 4 órakor jelentette be az amerikai energiaügyi minisztérium (Department of Energy), ami az atomenergiai kutatásokért és az amerikai nukleáris fegyverarzenál fejlesztéséért és felügyeletéért felelős.

„Az, hogy a fűtést adó lézerek által betáplált energiát meghaladta a fúziós reakció által termelt hőenergia, ténylegesen a breakeven elérése, és ez a lézeres fúzió kutatási területén nagyon jelentős eredmény” – mondta a Qubitnek Dunai Dániel, az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának tudományos főmunkatársa. Dunai elmondta: a NIF-et még az 1990-es évek végén kezdték építeni, és egyik fő célja épp a breakeven, valamint a begyújtás (fusion ignition) elérése volt, amikor a lézeres összenyomás által létrehozott nagy sűrűségű anyagban a fúziós reakciók fűtésehoz létre újabb reakciókat, és így az üzemanyag jelentős része elég.

„A laboratóriumi fúziós begyújtáshoz vezető út az egyik legjelentősebb tudományos kihívás, amit valaha az emberiség megkísérelt, ennek elérése pedig tudományos, mérnöki eredmény, és legfőképp az érintett szakemberek diadala. Ennek a határnak az átlépése hajtott 60 évnyi kutatást, amihez folyamatos tanulás, tervezés, és tudásunk kibővítésére volt szükség. Ezeknek a problémáknak megoldására alapították az amerikai nemzeti laboratóriumokat” – mondta a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium igazgatója, Kim Budil.

photo_camera A National Ignition Facility lézeres fúziós kísérleti berendezés Fotó: Jason Laurea/Lawrence Livermore National Laboratory

A Livermore részeként működő NIF kutatói idén januárban közölték a Nature és Nature Physics folyóiratokban 2021-es eredményeiket, amikkel elérték az égő fúziós plazma állapotát, és minden korábbinál közelebb jutottak a breakeven ponthoz. A tavaly augusztusi kísérletekben 1,35 megajoule energia szabadult fel a lézerekkel biztosított 1,9 megajoule-hoz képest, ami 0,7-es nettó energianyereségre (Q) jön ki.

A december eleji kísérletben a fúziós reakció alatt 3,15 megajoule hőenergia szabadult fel a betáplált 2,05 megajoule-hoz képest. Ez 1,53-as Q-értékével túlszárnyalja a breakeven pontot, ami 1-es értékű Q esetén teljesül. A Financial Times információi szerint a kiértékelést megnehezítette, hogy a várakozásokbál több felszabaduló energia a mérőrendszerek egy részét is károsította.

Dunai szerint az eredmény tudományos jelentőségét leginkább az adja, hogy eredetileg a breakeven pont elérését 2012 körülre várták, de a kísérleti eredmények nem egyeztek az elméleti modellek jóslataival. A következő évtized a kísérleti technikák javításával párhuzamosan a számítógépes modellezés fejlesztésével telt, amíg a megfelelő céltárgygyártási technika megszületett.

A tudományos áttörést jelentős fordulatot hoz a National Ignition Facility életében a nyár eleji helyzethez képest, amikor a Nature arról írt, hogy a kutatók szerint teljesen újra kell gondolni a kísérleti berendezés működését, miután a 2021-ben elért rekorderedményt nem sikerült újabb kísérletekben megismételni. Egyes szakemberek, mint az amerikai tengerészeti kutatólaboratórium fizikusa, Stephen Bodner ekkor technológiai zsákutcának nevezte a berendezést, és kijelentette, hogy új generációs lézereket alkalmazó eszközökkel kell felváltani.

Hogyan működik a lézeres fúzió a National Ignition Facilityben?

A fúziós kutatások mellett az extrém körülményeket előállító kísérletekkel a NIF elsődleges célja az amerikai nukleáris arzenál fenntartásához szükséges mérések összegyűjtése, valamint különleges plazmaállapotok vizsgálata. A NIF a mágnesesen összetartott fúziós berendezésekkel ellentétben, mint amilyen a Franciaországban épülő ITER tokamak kísérleti reaktor, nem tekinthető egy praktikus energiatermelésben használható fúziós berendezés előfutárának.

A kísérleti berendezésben 192 nagy energiájú lézer segítségével indítják be a fúziós üzemanyag kapszula (pellet) összepréselésével és felhevítésével az inerciális fúzió elvén működő reakciót. Ahogy azt korábban összefoglaltuk, a lézereket a kutatók egy speciális hohlraum henger belső falára irányítják, ami röntgensugárzást generál, összenyomja és 50 millió fokra forrósítja az üzemanyagként funkcionáló, nagyjából 200 mikrogrammyni deutérium (²H) és trícium (³H) hidrogén izotópot. Az atommagok egyesülésével hélium jön létre, neutronok és energia keletkezése mellett.

A lézeres fúzió jelenlegi korlátai

Bár a lézerekkel 2,1 megajoule-t tápláltak be a fúziós reakcióba, a jelentkező veszteségek miatt a lézerek működtetése nagyságrendekkel több, akár kétszázszor ennyi energiát is igényelhet. A magyar kutató szerint a pelletekből elméletileg létre lehet hozni a szükséges energiasokszorozást a begyújtás elérésekor, de a lézeres fúzió energiatermelésre alkalmazásához az energiát megfelelően hatékonyan ki is kell tudni nyerni. Ha a különbség csúcstechnológiás szilárdtest-lézerekkel és a fúziós reakció során termelődő energia növelésével mérsékelhető, ez még nem jelentené azt, hogy megérkezett az energiatermelésre bevethető lézeres fúzió.

Dunai elmondta, hogy „a NIF mostani bejelentése elsősorban tudományos eredménynek tekinthető. Az inerciális fúzión alapuló erőműkoncepciók még nem léteznek a mérnöki tervek szintjén. A NIF esetében néhány fúziós kapszulát lehet egy nap lézerrel meglőni; egy későbbi ilyen alapon működő fúziós erőműben másodperceként körülbelül 10 pelletet kellene eltalálni. A pelletek árának is elég alacsonynak kell lennie ahhoz, hogy gazdaságos energiatermelésről beszélhessünk.”

A magyar kutató szerint további kihívást jelent, hogy „a fúzió során nagy energiájú neutron keletkezik, hasonlóan a mágneses összetartású berendezésekhez, ami aktíválja a berendezés falát, és roncsolja például az optikai elemeket. Egy jövőbeli fúziós erőműnek tríciumból önfenntartónak kellene lennie, mert a trícium a természetben rendkívül ritka, és jelenleg még működő speciális fissziós erőművekben lehet termelni. A trícium szaporításának kérdése kritikus lesz minden olyan koncepcióhoz, amit erőművé akarunk fejleszteni.”

Magyar kutatók elsősorban mágnesesen összetartott fúziós berendezések fejlesztésében vesznek részt. A EUROfusion projekt idén februárban jelentette be, hogy az ezen az elven működő Joint European Torus (JET) kísérleti berendezésben folytatott fúziós reakcióban 59 megajoule-nyi hőenergia jött létre, ami jóval túlszárnyalja a NIF fúziós reakcióiban keletkezett energia mennyiségét, ugyanakkor nem éri el a breakeven pontot.

Dunait az új eredmény fúziós kutatásokra mért hatásáról is kérdeztük. A kutató szerint „a jelenlegi eredmény jól kommunikálható és jelentős eredmény, így rövid távon a jelentős sajtóvisszhang újabb forrásokhoz juttathatja a fúziós kutatásokat. Ez az állami támogatások mellett egyre fontosabb magánbefektetők megjelenését is magával hozza. A 2022-es egy másik csendes áttörés éve is volt, mert valószínűsíthető, hogy az USA-ban és az EU-ban is több magánbefektetői pénz áramlott a fúziós kutatásokba, mint állami forrás. A globális klímaváltozás állandósult nyomása alatt a szén-dioxid-mentes energiatermelés ígérete a nagy kockázat ellenére egyre több befektetőt vonz a fúziós iparba. A fúzió sok koncepcióján alapultak kisebb-nagyobb start-up vállalkozások, amik közül néhány jelentős szereplő lehet később.”

photo_camera A franciaországi ITER kísérleti fúziós reaktor egy 2021 októberi felvételen. A tokamak a nagy középső épületek jobboldali szárnyában található Fotó: Les Nouveaux Médias/SNC ENGAGE

Dunai úgy véli, hogy „a mágneses összetartású fúziós kutatások közelebb vannak az ipari méretű megvalósításhoz. A Dél-Franciaországban épülő ITER tokamak egyszerre tudományos kísérlet és technikai demonstráció. Itt az alap plazmafizikai kutatások mellett az a kimondott cél, hogy a erőművek előtti utolsó lépcsőként minden kritikus technológiát kifejlesszenek és leteszteljenek. Azt nem merném megtippelni, milyen fúziós erőművek lesznek száz év múlva, de az első erőművek szinte biztosan valamelyik mágneses összetartású koncepción alapulnak majd. A fúziós kutatások is egyre inkább az erőművi méretek esetén fellépő technikai problémákra fókuszálnak.”

A jelenleg is építés alatt álló, 20 milliárd dollár feletti összköltségű ITER-ben 2025-ben kezdődhetnek meg az első fúziós kísérletek. Ezekben 50 megawattnyi, hőenergiaként hasznosuló 300 megawatt elektromos energiából 500 megawatt fúziós energiát remélnek előállítani a szakemberek. Ha az ITER beváltja a hozzá fűzött reményeket, az első tokamak típusú fúziós teszterőmű, a DEMO 2050 körül állhat üzembe. Dunai az Energiatudományi Kutatóintézet munkatársaként épp egy olyan projektet vezet, amelyben az európai fúziós demonstrációs erőműhöz terveznek egy optikai diagnosztikát, ami annak plazmaoldali falkomponenseit védi. Az ITER-ben is jelentős a magyar részvétel az egyik fő biztonsági elemeként működő pelletbelövő fejlesztésében és tesztelésében.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: