A mai atomerőművekben nem két anyagot egyesítünk egy erősebben kötött állapotba, hanem szétszedünk egy nagyobb atommagot több részre. A nukleáris reaktorokban a nehéz atommagok széthasítása során sok különböző radioaktív melléktermék keletkezik. Ennek a nem nagy mennyiségű, de mégis veszélyes anyagnak a végleges és biztonságos kezelése a jövő feladata. Van azonban az atommagok átalakításának egy másik lehetősége is. Mivel a közepes atommagok a legerősebben kötöttek, ezért kisebb atommagok egyesítéséből is lehetséges energiát nyerni. Ezt a folyamatot hívjuk magfúziónak. A fúziós energiatermelés megvalósításának lehetőségét elsőként Teller Ede fogalmazta meg. Sajnos a magfúziós folyamatok csak akkor következnek be, ha az atommagok nagyon közel kerülnek egymáshoz. Az atommagok elektromos töltéssel rendelkeznek, vagyis taszítják egymást, így csak akkor tudnak egymás közelébe férkőzni, ha elég nagy sebességgel ütköznek össze.
Ám a magokat felgyorsíthatjuk részecskegyorsítóval, és így meg lehet vizsgálni, hogy mely anyagok a legalkalmasabbak arra, hogy fúziós reakcióba lépjenek. Eszerint a hidrogén két izotópja, az egy protonból és egy neutronból álló deutérium-, valamint az egy protonból és két neutronból álló tríciumatommagok egyesítése lenne a legcélravezetőbb. Egy elképzelt magfúziós reaktor végeredményben deutériumot és lítiumot alakítana át héliummá. A reaktor magjában zajlana a D–T reakció, körülötte pedig valamilyen lítiumtartalmú anyagot tartalmazó köpenyben termelnénk a tríciumot. A kiinduló anyagok korlátlanul rendelkezésre állnak, nem radioaktívak, és nem keletkeznek radioaktív végtermékek sem. Nem szabad elhallgatni, hogy ez egy nukleáris erőmű lenne. Rengeteg neutron keletkezik, amelyek még a reaktorban befogódnak valamilyen atommagba, amellyel a közelben találkoznak. Ezekből a reakciókból radioaktív anyagok is származhatnak, viszont mi döntjük el, hogy milyen anyagokat használunk fel a reaktort felépítő szerkezeti elemekben.
Az egymásnak lőtt atommagok a legtöbb esetben csak lökdösik egymást, és csak nagyon kicsi eséllyel jön létre fúziós reakció. Ez az eljárás nem alkalmas energiatermelésre, mert óriási teljesítményt kell a gyorsítóba pumpálni egy pici fúziós teljesítmény eléréséhez. Ha viszont gyorsító helyett a részecskék hőmozgását használjuk fel, az ütközések csak elosztják az energiát a részecskék között, és valamennyi fúziós reakció mindenképpen bekövetkezik. A gyorsítós mérésekből tudjuk, hogy a D–T reakcióhoz az atommagoknak 10 keV (kiloelektronvolt) energiával kell mozogniuk, ami 100 millió K (kelvin) hőmérsékleten következik be. Világos, mit kell tennünk: egy tartályban keverjünk össze fele-fele arányban deutériumot és tríciumot, fűtsük fel 100 millió fokra, és használjuk a keletkező többletenergiát!
A fúziós reakciókhoz szükséges 100 millió fokos anyagot azonban nem lehet semmilyen tartályban tárolni, mivel annak anyaga rövid időn belül elpárologna, az atomok pedig szétesnének szabad atommagokra és elektronokra. Ezt az atommag-elektron keveréket hívjuk plazmának, ami az anyag negyedik halmazállapota. A plazmák nagyon különös tulajdonságokkal bíró anyagok: részecskéikre erősen hatnak mind az elektromos, mind a mágneses terek. Talán egy ötletesen kialakított berendezésben mágneses terekkel lehetne a plazmát egyben tartani.
Egy másik lehetőség a fúziós reakció hasznosítására az, ha nem tartjuk egyben az anyagokat a fúzió alatt, hanem hagyjuk őket szétrepülni. Mivel egy anyagdarab szétrepülése nem következhet be végtelenül kicsi idő alatt, ezért ha elegendően nagy a sűrűsége, akkor a szétrepülését megelőző pillanatokban elég sok fúziós reakció mehet végbe, ami energiát termel. Valójában tehát egy fúziós robbantásról van szó, amelyet 1953-ban sikerült először megvalósítani hidrogénbomba formájában. Vannak kísérletek arra, hogy pici fúziós keverékeket lézerrel vagy valami más gyújtással robbantsanak fel.
Most térjünk ismét vissza a héliumatommagra (azaz alfa-részecskére), ami a D–T reakcióban keletkezik. Ennek energiája 3,5 MeV (1 MeV = 1 millió elektronvolt), mintegy ezerszer nagyobb, mint a plazmarészecskéké. Ha az alfa-részecske bent marad a plazmában, ütközni fog ezekkel a részecskékkel, és lassan leadja nekik az energiáját, tehát fűti a plazmát. Ekkor egy bizonyos hőmérsékletnél beindulnak a fúziós reakciók, és rohamosan növekszik az alfa-fűtés, egészen addig, míg el nem éri a plazma hőveszteségét. Ezen a ponton a plazma begyújt, további kis hőmérséklet-emelkedésre az alfa-fűtés már meghaladja a veszteséget, és a hőmérséklet magától emelkedik az égési pontig. Itt viszont megáll, mivel a fúziós reakciók gyakorisága a maximum elérése után csökken, a veszteségek viszont mindig rohamosan emelkednek. Ez az égési pont tehát a természet törvényei miatt stabil, nekünk csak a friss üzemanyagot és a már lehűlt héliumgáz elvonását kell biztosítanunk. Nem lehet semmilyen megszaladásos baleset, amely az atomerőműveknél valós veszély.
Hogyan lehet kinyerni a megtermelt energiát? A fúziós reakció energiáját a neutron- és a héliumatommag mozgási energiája képviseli. A héliumatommag a plazmában az alfa-fűtés révén fűteni fogja a plazmát. A neutron viszont semleges részecske, a plazmából szinte akadálytalanul távozik. Amint a berendezés köpenyébe jut, elkezd ütközni a szerkezeti elemek atommagjaival, melegítve őket. Ezt a hőt el lehet vonni valamilyen hűtőközeggel. A fúziós erőmű kulcsa tehát a plazma egyben tartása mágneses térrel. A berendezés kamrájában először vákuumot kell kialakítanunk, és abban hozunk létre egy híg plazmát. Kis sűrűségen a részecskék ritkán ütköznek egymással, tehát olyan megoldást kell keresnünk, hogy a szabad deutérium- és tríciumatommagokat, valamint a róluk leszakadt elektronokat egy térrészben tudjuk tartani.
Ismert, hogy a mágneses tér a töltött részecskéket a tér erővonalai mentén spirális mozgásra (úgynevezett Larmor-pályára) készteti. Elég nagy mágneses tér esetén a spirális pálya sugara még a gyors deutérium- és tríciumatommagokra sem nagyobb, mint néhány milliméter, így a részecskék az erővonalakhoz simulva, azok körül spirálisan „tekergőzve” mozognak. Vagyis erős mágneses térrel csőbe zárható a plazma. A mágneses teret zárt erővonalgyűrűkké alakíthatjuk, azaz a cső két végét összeilleszthetjük olyanná, mint egy gumibelső: ez a tórusz. Azonban a görbült mágneses tér miatt a részecskék lassú, sodródó mozgásba kezdenek. A folyamat végeredménye, hogy a plazma elhagyja a tóruszt. A probléma úgy hidalható át, hogy a mágneses teret csavarvonalban feltekerjük a tórusz mentén, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy vesszőkoszorún a vesszők futnak. A le-fel vándorló erővonalak összekötik a plazma tetejét és alját, és kiegyenlítik a részecskék sodródó mozgását. A mai nagy fúziós berendezések mind tórusz alakú plazmát és csavart teret alkalmaznak.
A csavart térszerkezetet először a tóruszra tekert csavart tekercsekkel alakították ki, ez a berendezés a klasszikus sztellarátor. A hatvanas években kifejlesztett tokamakberendezés a helikális térszerkezetet a plazmagyűrűben körben folyó árammal állítja elő. Ez sokkal egyszerűbb, mint a sztellarátor, mégis jó részecske- és energia-összetartást mutatott fel. A sztellarátorberendezések nem igényelnek plazmaáramot, így ez a konfiguráció alapvetően folytonos működésre alkalmas, és nem produkál hirtelen összeomlásokat. A kilencvenes évekre olyan sztellarátorberendezéseket kezdtek tervezni, ahol a helikális térszerkezetet egy geometriai torzítás okozza, és a torzítás alakját különböző stratégiák szerint lehet optimalizálni.
A plazma fűtését az első berendezésekben a plazmaáram által keltett hő oldotta meg. Néhány millió fokos hőmérséklet ugyan még könnyen elérhető ohmikus fűtéssel, de a fúzióhoz szükséges százmillió fok már nem. Az egyik megoldás szerint a plazmába felgyorsított semleges atomokat lőnek be, mások olyan rádióhullámokkal sugározzák be a plazmát, amelyek elnyelődnek benne. A kiegészítő fűtésekkel rutinszerűen lehet a fúzióhoz szükséges hőmérsékletet elérni, és a kilencvenes években először Amerikában (a TFTR nevű berendezésben), majd az európai JET-ben pár másodpercre több megawatt fúziós teljesítményt értek el. A berendezések alkalmanként csak néhányszor tíz másodpercre üzemelnek.
Ugyancsak fontos kérdés a mágneses tér előállítása. A nagy tokamakokhoz erős mágneses terekre van szükség, és az ezt előállító tekercsekben a vezetők kis ellenállása is óriási veszteséget okoz. Ebből érthető, miért csak másodpercekig működtetik ezeket a berendezéseket. Egy fúziós erőműnek mindenképpen szupravezető tekercsekkel kell rendelkeznie, amelyekben az áram ellenállás nélkül folyik, tehát nincs ellenállási veszteség.
A nyolcvanas évek végére nagyjából tudni lehetett, hogy milyen és mekkora berendezés kellene egy gazdaságosan működtethető fúziós erőműhöz. Megállapodás is született egy amerikai–szovjet–európai–japán kísérlet elindításáról és egy kísérleti fúziós reaktor felépítéséről (amely az ITER, azaz nemzetközi termonukleáris kísérleti reaktor nevet kapta). Az események 2003-ban felgyorsultak, majd 2005-ben megszületett a döntés, hogy az ITER-t a franciaországi Cadarache-ban építik fel. Benne 2016–2018 táján várható az első kísérleti plazmagyűrű előállítása. Az ITER költségeinek felét az EU fedezi, s bár ez nagy pénz, érdemes kiszámolni, mennyi jut belőle egy EU-állampolgárra: hárommilliárd euró osztva az EU 500 millió lakosával és tíz évvel, kevesebb mint évi egy euró fejenként. Az ITER tehát egy erőmű méretű kísérlet, általa lehetőség nyílik arra, hogy teszteljék a trícium előállításának több módszerét is, valamint minden olyan eljárást, ami egy fúziós erőmű működtetéséhez kell.
Az ITER eredményei alapján nyílna lehetőség egy demonstrációs fúziós erőmű felépítésére. Ehhez évtizedek óta készülnek tanulmányok. A legutóbbi és legrészletesebb európai tanulmány szerint a fúziós energia ára három és kilenc eurócent között lenne kilowattóránként, így más energiaforrásokkal összehasonlítva versenyképes lehetne. A biztonsági vizsgálat azt mutatta, hogy még a berendezés teljes szabályozási és hűtési rendszerének összeomlása és a vákuumrendszer jelentős sérülése után sem keletkezne olyan radioaktív szennyezés a környezetben, amely miatt ki kellene telepíteni a közeléből a lakosságot. A mai technika mellett acél szerkezeti anyagokat lehetne használni, az ebből keletkező radioaktív izotópok száz év alatt lebomlanának, és ezután a berendezés minden anyaga újrahasznosítható lenne. Ha 2020 táján beindul az ITER, még kell legalább 15 év az első áramtermelő erőmű működésbe lépéséig. A fúziós energiatermelés tehát valamikor a XXI. század második felében állhat az emberiség szolgálatába.
Végül érdemes ejteni néhány szót a magyar részvételről ezekben a kutatásokban. Hazánkban igen fejlett nukleáris kutatási háttér van, ennek köszönhető, hogy ma a villamos energia 40 százalékát atomerőmű adja. A magyar ipar csak akkor lesz képes ezen a területen dolgozni, ha vannak kutatók, akik megmondják, mit kell tenni.
Magyarország mint EU-ország részt vesz az ITER-kísérletben és szinte minden más európai fúziós kutatásban. Óriási igény van magyar kutatókra és mérnökökre, minden laborban szívesen fogadják őket. Ezt mi sem bizonyítja jobban, mint hogy jelenleg körülbelül harmincfős magyar csapat dolgozik a fúziós feladatokon.
A fenti szöveg a február 26-án elhangzott előadás rövidített változata. Az előadás megtekinthető március 3-án (szombaton) 10.40-kor a Duna Televízió, 13 órakor az MTV, valamint 5-én (hétfőn) 9 órakor az M 2 műsorán. A következő előadást 5-én 19.30-kor a Jövő Háza Teátrumban (Budapest II., Fény utca 20–22.) Csiba László neurológus tartja Van esélyünk az agyvérzéssel szemben? címmel. A részvétel ingyenes, az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
origo.hu
Gyopáros Alpár: rendkívül komoly kockázatokkal járna Ukrajna európai uniós felvétele
