A fúziós erőmű

Megoldaná az energiaigényünket

Az emberiség energiaigénye óriási, s egyre csak növekszik. Nagyrészt fosszilis, nem megújuló energiaforrásokat használunk: földgázt, kőolajat, kőszenet, melyek előbb-utóbb elfogynak. A vízerőművek, a naperőművek, a napkollektorok, a szélerőművek ma még nem tudják kiváltani a fosszilis energiahordozókat, az atomerőművek esetében pedig fennáll a sugárszennyezés veszélye, s a kiégett fűtőelemek tárolása is komoly gondokat okoz. Nagy reményeket lehet viszont fűzni a fúziós reaktorokhoz.

Az atomerőművekben egy nehéz radioaktív elem, az urán atommagjainak a széthasítása, a szabályozott atommaghasadási láncreakció során szabadul fel az energia. Ezzel szemben az atommagfúziós erőműben a legkönnyebb elem, a hidrogén atommagjainak az összeolvadásakor következik be az energiafelszabadulás, ugyanaz a folyamat játszódik le, mint a Napban és a többi csillagban. A ma még kísérleti jelleggel üzemeltetett fúziós reaktorokban – melyek esetében a fúzió beindításához és fenntartásához szükséges energia még nagyobb, mint a fúzió során felszabaduló energia – deutériumot és lítiumot használnak alapanyagként. A deutérium a hidrogén egyik izotópja, mely viszonylag könnyen kinyerhető a vízből, a lítiumot pedig besugárzással tríciummá alakítják át, ami szintén egy hidrogénizotóp. A deutérium és a trícium keverékét juttatják be aztán a reaktorkamrába, ahol lézersugarakkal addig hevítik a keveréket, míg az atommagokról le nem szakadnak az elektronok, így az atommagok ionokká válnak, s forró plazma keletkezik. A fúzió eléréséhez viszont az atommagoknak elég közel kell kerülniük egymáshoz, hogy leküzdjék a köztük fellépő elektromos taszítást, amihez magas hőmérséklet és magas nyomás szükségeltetik. Több mint 100 millió Celsius-fokig kell hevíteni a plazmát, majd a plazmát kellő ideig kell zárt térben tartani ahhoz, hogy az atommagok összeolvadjanak. A reakció eredményeként hélium keletkezik, és hatalmas energia szabadul fel. A magfúzió során felszabaduló, elvezetésre kerülő hőenergiával aztán turbinákat hajtanak meg, a turbinák pedig elektromos generátorokat működtetnek, melyekkel a villamos hálózatba lehet táplálni az áramot. A reaktor falának azonban el kell nyelnie a reakciók során képződött neutronokat, ezért építik a falat bórral ötvözött acélból, mivel a bór befogja a neutronokat, és megakadályozza azt, hogy kikerüljenek a környezetbe.

A fúziós reaktor előnyei közé tartozik, hogy a deutérium bőséges mennyiségben nyerhető ki a tengervízből, a trícium előállítható a reaktorban, alig keletkezik radioaktív anyag, az sem terheli meg a környezetet. Nem alakul ki szabályozatlan láncreakció, nem szabadul ki radioaktív sugárzás, mint az atomerőművek meghibásodásakor, s a fúziós energia erősebb, mint bármelyik más mai energiaforma: ha hasznosítanánk, közel 4 milliószor több energiát lehetne vele megtermelni kilogrammonként, mint a fosszilis tüzelőanyagok elégetésével. Ám a fúziós reaktor megépítéséhez sok csúcstechnológiai elem szükséges, például szupravezető mágnesek, a fúzióhoz szükséges több tízmillió Celsius-fokos hőmérséklet és a magas nyomás elérése, valamint ezek fenntartása nagy mennyiségű energia befektetését igényli, a befektetett energiánál több energiát termelő önfenntartó fúziós folyamatot pedig még nem sikerült elérni. Ám ígéretes kísérletek zajlanak ennek elérése végett.

A jelenlegi kísérleti fúziós reaktoroknak több típusa ismert. Legkorábban a tokamakot fejlesztették ki, még az egykori Szovjetunióban, s jelenleg is sok tokamak működik több országban, illetve lép működésbe a közeljövőben. Ez a legelterjedtebb fúziós reaktor, mely mágneses mezők segítségével egy toroidális – fánk alakú – kamrában tartja a forró plazmát. A mágneses mezőket részben a kamrán kívül elhelyezett mágneses tekercsekkel, részben a plazma áramoltatásával hozzák létre, a cél pedig az, hogy akkora magas hőmérsékleten és nyomáson tartsák a plazmát, mely mellett le tud zajlani a fúzió. A stellátor (más forrásban: sztellátor) más típusú mágneses összezárású fúziós reaktor, melyben a kamra szintén toroidális, ám a mágneses mezőt kizárólag a kamrán kívül elhelyezett mágnesek hozzák létre, különleges geometriájú, bonyolult háromdimenziós formákba hajlított mágneses tekercsekkel. Így stabil és tartós mágneses mezőt tudnak fenntartani, a szellátorok felépítése pedig eleve stabilabbá teszi a rendszert. Korábban az volt velük a probléma, hogy szerkezetük rendkívül összetett, a mágneses tekercsek megtervezése és megépítése hatalmas számítási kapacitást és rendkívüli precizitást igényelt, sok alkatrészt kézzel formáztak. A legújabb fejlesztések – különösen a gépi tanulás, a precíziós gyártás és a mesterséges intelligencia felhasználása terén lezajlott fejlesztések – eredményeként azonban a stellátorok elterjedése előtt is megnyílt az út. Az inerciális összezárású reaktorok merőben más felépítésűek, bennük nagyon rövid, de intenzív lézerimpulzusokkal vagy ionnyalábokkal hevítik fel és sűrítik a deutérium-trícium fúziós üzemanyagot, a cél pedig az, hogy a fúzió elég gyorsan végbemenjen, mielőtt szétesne az üzemanyag. Az MTF – Magnetized Target Fusion – ötvözi a mágneses összezárás és az inerciális összezárás elemeit. A fúziós üzemanyagot előbb mágneses mezővel stabilizálják, majd gyors sűrítéssel, pl. robbanással vagy hidraulikus préseléssel felhevítik, hogy beindítsák a fúziós reakciót. A tokamak és a stellátor kombinációjával pedig mindkét típus előnyeit akarják kihasználni, hogy javítsák a plazma stabilitását és hatékonyságát.

A többlet-energiatermelésre képes fúziós erőművekben órákon vagy napokon keresztül fenn kell majd tartani az önfenntartó fúziót, amit egyes jelenlegi előrejelzések szerint úgy 2050 után tudunk majd elérni. De mennyi ideig vagyunk képesek ma elérni a plazma fennmaradását? A Kínai Tudományos Akadémia Hofejben működő plazmafizikai kutatóintézete EAST kísérleti reaktorában a közelmúltban 1066 másodpercig, közel 18 percig tudták fenntartani a plazmát, ami a maga idejében világrekordnak számított. Ám a francia WEST fúziós erőműben ezt követően már 22 percen át sikerült stabilizálni a plazmát. A brit JET (Joint European Torus) reaktor került mindeddig a legközelebb a pozitív energiamérleghez, még 2023-ban, ám az ismétlődő plazmazavarok hosszú távon károsították volna a berendezést, ezért leállították a reaktort. A japánok viszont 2034-re működésbe akarják léptetni a világ első folyamatos működésű fúziós reaktorát, mely a tervek szerint már a kezdeti szakaszban is 50–100 megawatt áramot termelne, a 2040-es években pedig be akarják indítani kereskedelmi működtetését. Közeleg a fúziós energiatermelés kora.

Lajos Mihály