Magyar mérnökök tudásával használhatunk tiszta energiát

Igazi nemzetközi együttműködést lehet látni a Franciaországban épülő kísérleti fúziós reaktor tervezése, építése és finanszírozása terén. A nemes cél, a tiszta energiát termelő erőmű prototípusának megalkotása magyar tudósok szakértelmét sem nélkülözi, a konkrétumokról a Magyar Nemzetnek Szabolics Tamás, az Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának fejlesztőmérnöke beszélt.

A technician looks at the circular bioshield inside the construction site of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in Saint-Paul-lez-Durance, southern France, November 7, 2019. REUTERS/Jean-Paul Pelissier - RC2E6D9SMPWG Fotó: Jean-Paul Pelissier

Nagy volt a nyüzsgés a dél-franciaországi Cadarache-ban, ahol a múlt héten megkezdték a nemzetközi kísérleti termonukleáris reaktor (ITER) összeszerelését.

A várhatóan 2025-re elkészülő berendezés azt demonstrálja, hogy a Napban zajló magfúziós folyamatok a Földön villamos energia termelésére foghatók,

és tesztelhetik rajta az erőművekben használt technológiá­kat. A világ talán legfontosabb magfúziós kísérleti eszközének megépítéséről szóló egyezményt az Élysée-palotában 2006-ban írták alá.

https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=FeNTASnKOGM&feature=emb_title

A fizikusok számára a legfontosabb kihívást a magfúzióhoz szükséges több mint százmillió Celsius-fok fenntartása jelenti: plazmaállapotot (ionizált gázt) kell létrehozni. – Ez jelenleg az egyik legnagyobb ­tudományos-technológiai projekt a világon, amely a világ lakosságának több mint felét képviselő hét partner – az Egyesült Államok, az Euró­pai Unió, Oroszország, India, Kína, Dél-Korea és Japán – együttműködésében valósul meg – mondta lapunknak Szabolics Tamás, az Energiatudományi Kutatóközpont (EK) Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának fejlesztőmérnöke, aki úgy is ott volt a múlt heti rendezvényen, hogy személyesen nem volt jelen. A nyitóeseményen mutatták be az EK munkatársai által 3D-s nyomtatással készített ITER-makettet – a két alkotó pedig Szabolics Tamás és Vavrik Márton volt.

Az összeszerelés első pillanatai. Nagy reményeket fűznek az egyik legjelentősebb kutatási programhoz
Fotó: Reuters

Kezdődik az izgalmasabb fejezet

Az egy hete megkezdett összeszerelés hatalmas mérföldkő a projekt életében, hiszen eddig nagyrészt az épületek és a kiszolgálóegységek építése zajlott, az első igazi komponensek érkezésével felgyorsulnak az ITER építkezésének eseményei. Az összeszerelő csarnokban már ott van a Japánból érkezett hatalmas tekercs – a tizennyolc elektromágnesből álló egységben hetvenezer amper áram folyik majd.

Hogyan működne?

A fúziós atomerőművektől nagy mennyiségű, biztonságos és szén-dioxid-kibocsátástól mentes villamosenergia-termelést várnak a szakemberek, az atomenergia békés hasznosításának e módjáról Ronald Reagan és Mihail Gorbacsov állapodott meg 1985-ben. A létesítményben a hidrogén két izotópja, a deutérium és a trícium magját egyesítik majd, amelynek során egy héliumatommag és egy nagy energiájú neutron keletkezik. Ez a neutron akkora energiával rendelkezik, hogy ha kiszabadulna, nyolc másodperc alatt elérné a Holdat. Ezt az energiát hőtermelésre, majd áramtermelésre lehet fogni. A fúzió a gázok plazmaállapotában jön létre. Az anyag negyedik halmazállapotát ismerjük a sarki fény vagy a villámlás kapcsán, illetve az univerzum anyagának kilencven százaléka plazmaállapotban létezik. Mivel a Földön más környezet uralkodik, mint a Napban, ezért a csillagunk hőmérsékletének nagyjából tízszeresére, 150 millió Celsius-fokra lesz szükség a tokamakban, ahol lényegében egy kör alakú, állandó villám jön létre vákuumban. Néhány méterrel odébb viszont már az abszolút nulla fok közeli hőmérsékletet (–273,15 Celsius-fok) kell előállítaniuk a szakembereknek. Ezen állapotok fenntartásához rengeteg energiára van szükség, a húszmil­liárd euró összköltségvetésű projekt célja az, hogy a befektetett energia tízszeresét nyerjék vissza. (S. O.)

Az eszköz összeállításának másik fontos eseménye májusban volt, amikor a legnehezebb alkatrész, a háromszáz tonnás kriosztát (fagyasztóegység) alapját emelték a helyére. A nyitóeseményen nem véletlenül mondtak köszönetet a több mint tízezer munkatársnak, aki korábban vagy most dolgozik ott. Alig találni olyan jelentős fizikai kísérleti berendezést a világon, amelynek az építésében, működtetésében ne lennének jelen magyar szakemberek. Az ITER fejlesztésében az Eötvös Loránd Kutatási Hálózathoz tartozó EK Fúziós Plazmafizika Laboratórium és Fúziós Technológia Laboratórium munkatársai is részt vesznek. Az EK-s szakemberek jelenleg az ITER egyik fontos komponensén, az egyik úgynevezett szaporítókazettán dolgoznak. A fúziós berendezés üzemeltetéséhez ugyanis deutérium és trícium kell. A tríciumot a berendezésben termelik úgy, hogy a kamra belső falát borító lítiumköpeny-elemeket neutronokkal bombázzák, ennek hatására keletkezik a kívánt elem.

A magyarok az egyik típusú szaporítókazetta gépészeti kiszolgálórendszereit tervezik, amely magában foglalja a hűtőrendszert, a hűtővíz szennyezésmentesítését és a trícium kivonását.

Első és egyedi megoldások kellenek

A C3D Kft. mérnökei tervezték meg a teljes belső rész bekábelezését oly módon, hogy azok húsz évig karbantartás nélkül is működjenek. Az ITER-projektben feladatuk volt például a diagnosztikai kábelezés és a részletekbe menő hálózattervezés. A belül tórusz (lyukas fánk alakú) felületen futó kábelhálózat a fúziós folyamatot felügyelő műszerrendszer elemeit köti össze. A munka léptékét szemlélteti, hogy 1600 útvonalon több mint tízezer kábelt kötöttek össze. A másik magyar cég, a GEMS Engineering szintén az ITER bekábelezésében vállalt feladatot. Nem triviá­lis a megoldás, hiszen ez lesz az első ilyen típusú berendezés, és minden alkatrész egyedi. A GEMS végezte továbbá az ITER-ben használt és használandó csavarok hőterheléses tesztjét is, ami alatt több ezer ciklusban kellett vizsgálni, hogy hogyan reagálnak a csavarok a folyamatos felfűtésre, majd lehűtésre.

A világ más pontjain épülő fúziós nagyberendezések munkájában szintén érdemi a magyar részvétel. A német W7–X nevű – a nagy hőmérsékletű plazmát összetartó – sztellarátor a világ legnagyobb ilyen típusú berendezése. Ide a magyar kutatók és mérnökök tíz kamerából álló intelligens monitoringrendszert és egy nyalábemissziós spektroszkópiarendszert fejlesztettek.

Angela Merkel német kancellár is a magyar kamerákon keresztül látta az első hidrogénplazmát.

Ezt követte 2017-ben egy nátrium-atomnyaláb szonda mérőrendszerének felszerelése a plazmasűrűség és ingadozásainak mérésére. Magyar fejlesztésű mérőberendezésekkel dolgoznak magyar és nemzetközi kutatócsoportok a világ legnagyobb tokamakján – ez egy tórusz alakú eszköz, ami elektromágnes által létrehozott mágneses mezőben képes a magas hőmérsékletű plazma tárolására –, az ITER-éhez hasonló, brit JET-en és több más európai, illetve távol-keleti berendezésen, mint például a ­dél-koreai KSTAR vagy a kínai EAST.

Csak a plazma ne omoljon össze!

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont (most már az EK-ban dolgozó) kutatói és mérnökei első európaiként szállítottak intelligens kamerarendszert a japán fúziós kísérleti eszköz számára is. A három éve kezdődött fejlesztés tavaly látványos eredményt hozott: elkészült a rendszer. A becsomagolás előtt végső tesztsorozatnak vetették alá a magyar kamerákat. A Japánból érkezett szakértők részvételével vá­kuum-, mechanikai és elektromos teszteket végeztek. Az összes szükséges ellenőrzés után a kamerákat szétszedték, alaposan becsomagolták, nehogy valami megsérüljön a több mint kilencezer kilométeres úton, és elindították a szigetországba. Szabolics Tamás és kollégái – akkor még wigneres kutatóként – tavaly ősszel kiutaztak Japánba, hogy elvégezzék az első teszteket. A kamerákat felszerelték a plazmaállapotot fenntartó tokamakra, amely várhatóan 2020 végén indul el. – A következő nagyobb tesztsorozat most pénteken lesz, amin a koronavírus-járvány miatt mi sajnos nem lehetünk ott, azt a japán kollégák végzik el az instrukcióink alapján – mondta el Szabolics Tamás.

A jövő szintén izgalmas. A múlt héten az EK pályázatot adott be az ITER egyik kritikus pelletbelövő rendszerének fejlesztésére, amelynek keretében hazai tesztlabor épülhetne a berendezés kísérleti fejlesztésére. Ezzel a berendezéssel különféle gázokat kondenzálnak és fagyasztanak jéggé, majd adott pillanatban, ha a fúziós berendezés központi vezérlőegysége a plazma összeomlásának lehetőségét érzékeli, nagy nyomással közel 3600 kilométeres óránkénti sebességre felgyorsítja. Ez az anyag kvázi jégsprayként hatol a plazma mélyére, és gátolja meg a nem kívánatos plazmajelenségek kialakulását.

Minden tokamak őse 64 éves

Az ITER a tokamak-berendezés technológiájára épül, az orosz eredetű mozaikszó jelentése: tóruszkamra mágneses tekercsekkel. A tórusz alakú berendezésben elektromágnes által létrehozott mágneses mezőben lebeg a plazma állapotú, 100 millió Celsius-fokos hőmérsékletű gáz, a magfúzióhoz szükséges üzemanyag.

Fotó: Roszatom

Ez hagyományos tárolókban nem helyezhető el, hiszen nincs olyan szilárd anyag, amely kibírná ezt a hőmérsékletet, ezért szükséges a mágneses tér fenntartása, amelynek segítségével gyakorlatilag lebeg a plazma a berendezésben. A tokamak kísérleti tanulmányozása 1956-ban kezdődött Moszkvában a Kurcsatov Intézetben, az első, a képünkön látható berendezés a T–1 nevet viseli, ezt további modellek követték. Az ITER-hez nemcsak annak alapjával, hanem mai fejlesztésekkel is hozzájárul Oroszország az anyagi részvétel mellett: beszállító vállalatok, orosz mérnöki személyzet és több műszaki, fizikai és kutatóegyetem eredményeit használják fel. (S. O.)