A Napnál melegebb, a pokolnál hidegebb a jövő erőműve

Már kezd alakot ölteni a világ első olyan fúziós erőműve, amely több energiát termel majd, mint amennyit fogyaszt. A Franciaországban épülő ITER lesz az első nagy lépés azon az úton, amely 2050-től új alapokra helyezheti az áramtermelést, és az emberiség lassan elfelejtheti az üvegházhatást és az atomhulladékot.

Az emberiség nagyobb része az elmúlt száz évben megszokta, hogy egyszerűen és nagy mennyiségben rendelkezésre áll az elektromos áram. A légkört szennyező fosszilis üzemanyagok vagy a hosszú távú tárolási problémákkal járó, maghasadáson alapuló nukleáris energia helyett a kutatók az 1950-es évek óta keresnek környezetbarát megoldást az elektromos energia előállítására.

Nem sci-fi kellék, a JET reaktor vákuumkamrája (lásd a szövegben) Forrás: AFP

A csillagok, például a Nap energiatermelési folyamata, az úgynevezett atommagfúzió jó megoldásnak tűnhet, a fejlesztés azonban nagyon lassan halad. A fúziós energiával foglalkozó kutatók közt ezért állandó viccé vált, hogy bármely adott időpontban azt mondhatjuk: majd harminc év múlva készül el az első valóban energiát termelő fúziós erőmű. "Ez jól jellemzi a nehézségeket, azonban az is igaz, hogy eddig eltelt majdnem kétszer harminc évben óriásit halad előre ez a terület" - mondta Szabolics Tamás, a Magfuzio.hu ismeretterjesztő oldal gazdája, aki szoftverfejlesztő mérnökként dolgozik a Wigner Fizikai Kutatóközpontban.

Tízszer magasabb hőmérséklet kell, mint a Nap belsejében

A fúziós erőművekben teljesen más módon termelődik majd az energia, mint a jelenleg üzemelő atomerőművekben. Az atomerőmű az atommagok széthasítására (az úgynevezett fisszióra) épül, vagyis nagy tömegszámú elemekből kisebbek keletkeznek. Ennek során energia szabadul fel, továbbá hasadási termékek, illetve azok bomlástermékei keletkeznek, amelyeknek biztonságos elhelyezéséről gondoskodnunk kell. Az erre szolgáló atomtemetők olyan időkapszulaként működnek, amelyekre minden elképzelhető módon ki kell írni, hogy: Kedves utódom, itt ne áss!

Modern irodaépületnek fog tűnni az ITER, amely a világ első energiatermelő fúziós erőműve lehet Forrás: ITER

Az atommagfúzió során viszont kis tömegszámú atomokat egyesítenek hatalmas hőmérsékleten és/vagy nyomáson. Az egyesülés, azaz fúzió során energia szabadul fel. Míg az atommaghasadás esetében a láncreakció szabályozása és leállítása a nagy feladat, addig a fúzió esetén a reakció megfelelő körülményeinek megteremtése a probléma.

A fúzióhoz ugyanis olyan közel kell egymáshoz kényszeríteni az atommagokat, hogy az azonos töltésű részecskék közt fellépő elektrosztatikus taszítás, az úgynevezett Coulomb-kölcsönhatás helyett az atommag belsejében érvényesülő erős kölcsönhatás, az Univerzum négy alapvető kölcsönhatásának egyike lépjen életbe.

Az ITER szeizmikus szigetelése: februárban még csak ennyi volt kész a franciaországi reaktorból Forrás: ITER

Ehhez azonban 150 millió Celsius-fokos plazmát (ionizált gáz, lásd keretes írásunkban) kell előállítani, ami rengeteg energia befektetését igényli. A plazmát ráadásul csak erős mágnesekkel lehet olyan formában tartani, hogy ne érjen hozzá a reaktor vákuumkamrájához, ugyanis ha bármihez hozzáérne, azonnal lehűlne, és a reakció megállna. A Franciaországban épülő, International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) nevű kísérleti fúziós reaktor üzemeltetése körülbelül 100 megawatt teljesítmény befektetését igényli majd - ez ötöde egy paksi erőművi blokk teljesítményének - ám a tervek szerint 500 megawattot lesz képes termelni, igaz csak rövid ideig, egyelőre demonstrációs céllal, és nem a hálózatra.

Plazmával tele a világ

A plazma a negyedik ismert halmazállapot. Ionizált, az elektromos áramot vezető gázt jelenti. Nem vagyunk ugyan tudatában, de a mindennapokban számtalanszor találkozunk plazmaállapotú anyagokkal. A plazmatévé kijelzője, a neoncsőben lévő világító gáz, vagy az öngyújtó lángja is plazma állapotú. Plazma állapotú a villám is, ám még annak a 28 ezer kelvines hőmérséklete is eltörpül a fúziós reaktorban előállítandó plazmáé mellett.

Olcsó üzemanyaggal is beéri

A fúziós erőmű melletti egyik legerősebb érv, hogy az erőmű üzemanyaga, a deutérium és a trícium szinte korlátlanul rendelkezésre áll, illetve előállítható. A deutérium a hidrogén egy olyan izotópja, amely egy neutront és egy protont tartalmaz. A Földön előforduló minden hatezer-négyszázadik hidrogén ilyen, az emberi test is tele van deutériummal. A trícium egy radioaktív hidrogénizotóp, két neutront és egy protont tartalmaz. Ez viszonylag gyorsan lebomlik, tizenkét év a felezési ideje, ám a tervek szerint a reaktorban lítiumból előállítható. Számítások szerint, ha a világ energiatermelésének harmada fúzióból történne, akkor is csak kétszer annyi lítiumot kellene bányászni, mint ma. "A kísérleti reaktorban tesztelendő hat darab tríciumtermelő egységből kettő magyarok közreműködésével épül" - mondta az Origónak Réfy Dániel fizikus, a Wigner Fizikai Kutatóközpont fiatal kutatója.

A kerek területen lesz az ITER szíve Forrás: ITER

Az ITER lehet a világ első pozitív energiamérlegű fúziós reaktora. Az Oxford mellett található Culhamben felépített Joint European Torus (JET), az eddigi legnagyobb fúziós kutatóreaktor csúcsteljesítményen is csak a befektetett teljesítmény 62 százalékát tudta előállítani. A magfúziós alapfolyamatok tehát már a gyakorlatban is működnek, a kérdés az, mikor lehet tartósan pozitív teljesítménymérleget elérni. Az ITER eredményeit figyelembe véve felépítendő DEMO nevű első energetikai célú (de még kutatási-fejlesztési célokat is szolgáló) erőműnek már az lesz a feladata, hogy körülbelül 1 gigawattot adjon le a hálózat irányába.

Mi az az ITER?

Marseille-től hatvan kilométerre, Cadarache-ban épül a világ legnagyobb kísérleti fúziós reaktora. Az építkezés 2005 óta zajlik, az alapozás és a szeizmikus szigetelés mára nagyrészt elkészült. A reaktor építési költsége körülbelül 15 milliárd euró, ezt az Európai Unió, India, Japán, Kína, Oroszország, Dél-Korea és az Egyesült Államok adták össze. A fúziós erőmű várhatóan a 2021-es év végén indulhat el. Az ITER feladata többek között annak bizonyítása, hogy a fúziós reaktor alkalmas gazdaságos áramtermelésre.

Nem az olajlobbi a probléma

Az összeesküvés-elméletek híveinek legnagyobb elkeseredésére a fúziós kutatások nem azért haladnak lassan, mert a tudósokat lépten-nyomon akadályozzák az olajlobbi emberei. "A plazmafizikának a mai napig vannak olyan részei, amelyeket megtapasztaltunk, a hasznunkra tudunk fordítani, de nem értünk. Ilyen például a JET-ben is fellépő H-mód, amely a plazmának egy jobb összetartású, a berendezés üzemeltetése szempontjából kedvezőbb állapota. Ennek megjelenésére az eddigi kísérletek alapján lehet számítani, ám elméleti oldalról pontosan még nem lehet tudni, hogy miért lép fel" - mondta Réfy Dániel.

Az elméleti problémák mellett mérnöki kihívások is vannak bőven. Mint említettük, a fúziós reaktorban lévő plazmát erős, lehetőleg szupravezető elektromágnesek által keltett mágneses tér tartja a megfelelő formában. (A mai kísérleti berendezések egy része működik csak szupravezető tekercsekkel, de az új rendszerek mind ilyenek lesznek már.) Ezeknek a működéséhez rendkívül alacsony, mínusz 270 Celsius-fokos hőmérsékletre van szükség. A reaktoron belül található plazma viszont több tízmillió fokos, a reaktor acélszerkezete pedig 100-300 Celsius-fokra melegszik fel. A természetben sehol nem fordul elő, hogy néhány méteren belül ekkora hőmérsékletkülönbség legyen. A körülbelül 15 milliárd eurós költségvetésű ITER építése során olyan szerkezetet kell létrehozniuk a mérnököknek, ami kibírja ezt a hőterhelést.

Mi mérünk a legpontosabban

Magyarországon 1998-ban állították le és szedték szét az egyetlen, 1979-től működő kísérleti fúziós reaktort, amely a KFKI-ben működött. A plazmafizikai kutatások azonban alig több mint egy évre torpantak meg, mert az ország 2000-ben csatlakozott az Euratomhoz, a kutatóintézet munkatársai a Magyar Euratom Fúziós Szövetség keretében pedig ezzel lehetőséget nyertek nemzetközi kutatási programokban való részvételre. A magyarok specialitása a reaktor belsejében található plazma különböző jellemzőinek mérése. A Nagy-Britanniában található Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) reaktorhoz kifejlesztett diagnosztikai rendszerünket több kísérleti rendszerhez megvásárolták már. Az ITER egyik tervezett mérőberendezésében is kipróbálták már a másodpercenként kétmillió felvételt készítő APDCAM nevű hazai fejlesztésű eszközt.

Az ITER építési területe a levegőből Forrás: ITER

A wigneres kutatók nemcsak az angliai kísérleti helyszínekre járnak gyakran. Látogatásunk alatt Zoletnik Sándor, a Magyar Euratom Fúziós Szövetség vezetője videokonferencián jelentkezett be a Wignerbe, mert éppen a dél-koreai KSTAR fúziós kísérletnél tartózkodott. Még az ősszel Kína is felkerül az úti célok listájára, egy ottani kísérleti berendezésre is két magyar diagnosztikai eszköz kerül.

Nem az ára a vonzereje

A tervek szerint az ITER 2021-ben kezdené meg működését, a DEMO a 2030-as évek elején készülne el, az első, tisztán energiatermelésre szolgáló, ipari kivitelű példányt pedig 2050-re szeretné megépíteni az EU. A magfúzió azonban nem lesz gyógyír az emberiség minden problémájára. Egy 2005-ös tanulmány négy lehetséges jövőbeli forgatókönyvvel számol. A jelenlegi tudással megépíthető erőmű esetében 1 kWh villanyáram ára az erőmű indulásakor körülbelül annyiba kerülne, mint ma, igaz ez kevesebb szennyező anyag kibocsátásával járna, és fenntartható lenne (és nem lenne gond a végtermékek tárolásával sem). A legkedvezőbb, tudományos áttöréseket feltételező forgatókönyv a mai árak harmadát jósolja, már az erőmű indulásakor. Egy fúziós erőmű élettartama hasonló lesz a mai atomerőművekéhez (azaz néhány évtized).

Robot dolgozik a JET kamrájában Forrás: efda.org

A fúziós erőművektől tehát nem - vagy nem sokkal - lesz olcsóbb a kenyér, vagy legalábbis nem azonnal. Ettől a technológiától függ azonban, hogy a jövőben egyáltalán lesz-e kenyér. A fosszilis energiahordozók ki fognak merülni, és ez a sors vár a hasadóanyagokra is, hacsak nem dolgoznak ki új típusú, a hasadóanyagok nagyobb részét felhasználni képes megoldásokat. A megújuló energiaforrások ugyan ígéretesek, ám szükség van melléjük olyan alaperőművekre, amelyek a napsütéstől, széljárástól függetlenül képesek energiát termelni. Az évtizedek óta ígért hidegfúziónak pedig a Wigner kutatói szerint még a létezését sem sikerült senkinek bizonyítania, nemhogy munkára fognia az állítólag létező jelenséget.

Maradnak tehát az egyelőre drága, bonyolult, a Nap belsejénél is nagyobb hőmérsékleten működő fúziós erőművek, amelyek harminc év múlva talán tényleg elkészülnek. Feltéve hogy az EU állampolgárai hajlandók fejenként évi két eurójukat erre költeni. Ellenkező esetben fúziós erőművet is Kínából vagy Koreából fogunk vásárolni.