Jó dolog a fúziós energia, csak még ezer dolgot kell megoldani, hogy működő erőművünk legyen

A fúziós energiával kapcsolatban legtöbbször csak a hurráoptimista megközelítésekkel találkozunk, pedig akad még bőven a technológiában kihívás ahhoz, hogy megtérülően működő, valódi erőművek születhessenek. A Magyar Tudományos Akadémia által szervezett Magyar Tudomány Ünnepén most a témával foglalkozó magyar kutatók keresték a választ arra, hogy miért nincs még fúziós erőművünk annak ellenére, hogy évtizedek óta folyik a kutatás és fejlesztés, és rengeteg pénz és szakértelem áramlik a szektorba.

A fúziós erőművek célja az atommagok összeolvadásakor felszabaduló energia hasznosítása, évtizedek óta ezt tartják a jövő energiaforrásának, és már nem is annyira az a kérdés, hogy megvalósítható-e, hanem inkább az, hogy hogyan lesz majd elég olcsó – na meg hogy mikor. A szakmán belül hosszú ideje fennálló vicc az, hogy a fúziós energiától mindig csak 30 évre vagyunk, attól teljesen függetlenül, hogy éppen mikor kérdezi az ember.

Annak, hogy miért tolódik egyre tovább a vágyott eredmény, és hogy miért nem tudunk egyelőre működőképes, pozitív energiamérleggel rendelkező, hosszú távon fenntartható erőművet építeni, rengeteg oka van, mind fizikai, mind mérnöki, mind megvalósíthatósági szempontból. A szektorba érkező magántőke kétségkívül előbb-utóbb felgyorsítja majd a fejlődést, de egyelőre még nem tartunk ott, hogy megtörtént volna az áttörés. Ez viszont nem azt jelenti, hogy nem is fogunk, vagy hogy nem érdemes foglalkozni a fúzió mint zöld energia kiaknázásával.

Még a plazma viselkedését sem értjük teljesen

Egyelőre a fúziós folyamat során használt plazma viselkedését sem értjük száz százalékosan, mármint abból a szempontból, hogy nem lehet egyszerű képlettel leírni, és a jónak tűnő modelleket is érheti meglepetés. „Ma még nem lehet teljesen kiszámolni, hogyan viselkedik a plazma, és ez egy nagy probléma” – mondta Zoletnik Sándor, a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratórium vezetője. Az anyag ugyanis fúzió során turbulens plazmaállapotba kerül, vagyis hullámok, örvények alakulnak ki benne, ezzel pedig az energia a plazma felületén fog megjelenni, ami energiagenerálási szempontból nem éppen optimális. „Ezért minél nagyobb egy berendezés, annál hatékonyabb, ezért nagy tokamakot kell építeni – hosszú ideig ez volt az irányadó megoldás” – tette hozzá. (A tokamak a fúziós reaktorok legelterjedtebb típusa: olyan berendezés, ami a magas hőmérsékletű plazmát egy elektromágnes által létrehozott, lyukasfánk-alakú mágneses mezőben képes tárolni).

Egyelőre azonban nem elég nagyok a már most működő berendezések ahhoz, hogy kiderüljön: benn tudjuk-e tartani a plazmában például a hélium atommagját. Ez azért lenne ideális, mivel így önfenntartó tudna lenni a folyamat. A legtöbb berendezés egyelőre deutériummal működik, de a fenntartható működéshez deutérium-trícium plazma kell, ezért is indult ebbe az irányba az ITER, vagyis a világ legnagyobb kísérleti fúziós reaktora. A berendezés nemzetközi együttműködésben készül, Kína, az Európai Unió, India, Japán, Oroszország, Dél-Korea és az Egyesült Államok vesz részt a fejlesztésben, de lassítja a munkát például az is, hogy a tagok kevésbé pénzt, mint inkább berendezéseket adnak a projektbe, ez pedig az összeszerelésnél plusz munkát is jelent.

Nem tudjuk azt sem, hogy egy valóban hatékony, a jövőben ténylegesen energiatermelésre használt erőműnek pontosan hogyan kéne kinéznie. „Rengeteg privát cég van a piacon, mindenki mást gondol arról, hogy mi a jó irány” – mondta Pokol Gergő, a BME TTK Nukleáris Technikai Intézet egyetemi docense, a Magyar Nukleáris Társaság elnöke, hozzátéve, hogy ezek a cégek rendszerint a befektetőiket akarják meggyőzni, így sokszor túl optimistán tálalják az eredményeket.

Rengeteg szempont alapján össze lehet hasonlítani a most jelenlévő megoldásokat, két jó fizikai szempont például

1. a berendezés energiamérlege
2. és az, hogy mennyire áll közel a berendezésben a plazma a termikus egyensúlyhoz.

A pozitív energiamérleg azt takarja, hogy a berendezésben a befektetett energia kisebb, mint amennyit nyerünk vele. „Nem fúziós reakciót akarunk létrehozni, mert azt könnyű, már az ötvenes években mindent tudtunk róla, mi fúziós energiát akarunk termelni, ehhez pedig pozitív energiamérleget kell felmutatni” – mondta Pokol Gergő.

Nagy segítséget nyújtanak ebben az úgynevezett alfa-részecskék, vagyis a hélium leggyakoribb izotópjának, a hélium–4 izotópnak az atommagjai, amik a fúzió során keletkeznek. Ezek viszik el körülbelül az egyötödét a reakcióenergiának, ráadásul elektromosan töltöttek, így nagyon jól kölcsönhatásba tudnak lépni az üzemanyaggal, át tudják neki adni az energiájukat. Ahogy megközelítjük a fúzióhoz optimális energiaszinteket, úgy nő meg ezek teljesítménye, és elképzelhető az, hogy ez az alfa-részecske-fűtés teljes egészében fedezheti a veszteségi teljesítményt. Ezt hívjuk egyébként fúziós begyújtásnak. Mindegyik jelenleg is működő fúziós megoldás épít arra, hogy valamilyen szinten hasznosítsa az alfa-részecske-fűtést.

A jelenlegi fúziós berendezések kétféleképpen működnek: vagy folytonosan, vagy pedig impulzusosan. A kettő beindítása és folyamatai alapjaiban térnek el egymástól. A folytonos fúziónál létre kell hozni egy olyan állapotot, ahol a fúziós reakció ki tud alakulni, vagyis fel kell fűteni a plazmát, de utána kikapcsolhatók a külső fűtőrendszerek, a reakció magától folytonos lesz. Impulzusüzemben viszont nagyon rövid időre kell létrehozni egy sűrű és forró közeget, amiben lejátszódhat a fúziós reakció, de ez csak rövid ideig tart, minden egyes kezdésnél újra és újra fel kell fűteni. Utóbbi berendezésekben a fűtés hatásfoka nagyon kritikus tényező lesz, hiszen nagyon rövid ideig működik külső behatás nélkül a berendezés.

Egy másik fontos szempont, hogy mennyire áll közel a berendezésben a plazma a termikus egyensúlyhoz. Ha a fúziós reakciókban használt felgyorsított részecske nekimegy egy céltárgynak, akkor létrejöhetnek, sőt, létre is fognak jönni fúziós reakciók, de létrejön úgynevezett rugalmas Coulomb-szórás is, ami gyakorlatilag egy kétrészecskés, rugalmas ütközés két töltött részecske között, és százezerszer gyakoribb, mint a fúzió. Hogy ez mit jelent a gyakorlatban? Azt, hogy a nagy energiabefektetéssel felgyorsított részecskék kis eséllyel csinálnak ugyan fúziót, de az energiájukat elosztják a céltárgyban, és melegítik azt. Ezeknek az ütközéseknek a hatását úgy lehet kiküszöbölni, hogy minden részecskének olyan nagy energiát adunk, hogy fúziós reakciót tudjon létrehozni, ebben az esetben pedig nem baj, hogy ezek a rugalmas ütközések folyamatosan újraosztják egymás között az energiákat. A veszteségi hatás eléréséhez termikus egyensúlyhoz közeli plazmákat kell létrehozni, így jönnek ki azok a pár száz millió fokok a trícium-deutérium reakcióra, amiről az ITER-rel kapcsolatban is mindig beszélni szoktak.

„Ezeken kívül nagyon sok fontos szempont van, az, hogy milyen a megvalósíthatósága a különböző berendezéstípusoknak, nagyon sok mindentől függ” – mondta Pokol Gergő. Ilyen például az, hogy az alapvető működéshez szükséges folyamatok mennyire tisztázottak – vannak ugyanis olyan megoldások, ahol teljesen új magfizikát próbálnak kikísérletezni, a szakértő szerint ezek közül egyelőre a müon-katalizált fúzió lehet működőképes, csak az is nagyon drága. Elméletben lehetséges termalizáció nélkül is létrehozni fúziós láncreakciót, de még erre sincs kísérleti megoldás.

Az a jó reaktor, amihez nem kell már sok újat feltalálni

Fontos szempont még, hogy a berendezéshez mennyi olyan technológiát kell megvalósítani, ami ma még nem is létezik, ki kell fejleszteni – az ITER-ben fogják majd például a tríciumszaporítást is tesztelni, ennek a fizikai alapjait is egyelőre csak sejtik a kutatók. Nem kikísérletezett megoldás még a neutronmentes fúzió, a magas hőmérsékletű szupravezetők (olyan anyagok, amik ellenállás és így energiaveszteség nélkül vezetik az áramot), és nagy hatásfokú lézereket is kell még fejleszteni ahhoz, hogy a lézeres fúzió megfelelően hatékonyan működhessen.

Az sem mindegy, hogy a fejlesztés mennyi időt vesz igénybe: a fejlesztési ciklus hossza kritikus paraméter, és minél kisebb egy berendezés, annál gyorsabban lehet újat építeni, a kis berendezések viszont jelenleg pozitív energiamérleg elérésére alig alkalmasak. „A fejlesztési ciklusok szükséges számában már a hagyományosabb nagy technológiák vezetnek, hiszen a tokamakoknál például már a kis berendezéseknél jól ismerjük, hogyan működnek, csak nagyobbakat kell építeni” – mondta a szakértő. Megemlítette még a gazdasági versenyképességet, megjegyezve, hogy erről még nagyon keveset tudunk.

Egyelőre nem lehet tehát biztosan megmondani, melyik a legrövidebb út a fúzióhoz, de vannak olyan következtetések, amik azért már elég biztosak: olyan lesz a jó megoldás, aminek a fizikai alapjai már tisztázottak, kevés új technológiát kell fejleszteni, és az a jó, ha már csak az optimális megoldásokat kell kutatni. A jelenleg rendelkezésre álló berendezésfajtákból, úgy tűnik, a tokamak, a sztellarátor és a szférikus tokamak lehet a befutó, ezek jó tempóban közelítik a pozitív energiamérleget, a többi egyelőre még visszamaradottabb.

A szupravezető mágnes az egyik kulcskérdés

A mágneses fúziót használó berendezések elengedhetetlen kelléke a szupravezető mágnes, ami olyan mágnest jelent, ami, ha elér egy bizonyos paramétertartományt, teljesen elveszíti az ellenállását. „Ennek van egy hőmérsékletkorlátja, nagyon közel az abszolút nullához, és ami szintén fontos, van egy mágnesesmező-korlátja is. Egytized teslánál rengeteg olyan anyag, amivel eredetileg foglalkoztak, már elveszíti ezt a tulajdonságát – mondta Cziegler István, az angliai Yorki Egyetem tanára. – Az egy tesla rendkívül magas mágneses mező, ami a tokamakokban van, az gyakorlatilag százezerszerese a Föld mágneses mezejének.”

A szakértő a tavaly ősszel leállított brit JET-ről is beszélt, ami nem szupravezető mágnesekkel készült, ezért az elektromágnesek energiaigénye 150 megawatt volt csak ebben az egyetlen, kisebb tokamakban. Ez egy paksi reaktor csúcsteljesítményének egyharmadát jelenti. Ha ezt átvetítenénk az ITER-re, egy akkora méretű mágnes energiaigénye, ha nem szupravezető lenne, két teljes paksi blokk teljesítményével lenne egyenlő. A szupravezető mágnesekkel viszont ez már csak 20 megawatt, ami gyakorlatilag a hűtésre megy el. Az ezzel járó erős mágneses tér viszont újabb kihívásokat jelent: akkora erők keletkeznek egy ilyen tokamakban, ami körülbelül a tízszerese egy holdrakétának. „Azok a szerkezetek, amelyeknek egyben kell tartaniuk egy ilyen tokamakot, azok tíz holdrakétát teljes tolóerő mellett a földön tudnának tartani” – mondta a szakértő. Éppen ezért egyáltalán nem mindegy, hogy milyen anyagokból milyen szerkezeti elemek készülnek – ki kell bírniuk ezeket az erőket, úgy, hogy szupravezetők maradnak.

„Az ITER után lehet, hogy lehetőségünk lesz a jövőben magas hőmérsékletű szupravezetőkre is – mondta Cziegler István. – Kicsit komikusan hangzik, amikor magas hőmérsékletű szupravezetőkről beszélünk, amiknek 100 kelvin a maximumuk, ami még mindig körülbelül 180 fokkal van fagypont alatt. De ezek melegnek számítanak a többihez képest.” Ha ilyenekkel is lehetne dolgozni a fúziós berendezésekben, akkor lehetnének kompaktabb tokamakok is, amikben sokkal magasabb mágneses teret is létre lehet hozni. „A lényeges oka annak, amiért ilyet akarunk használni, mert ugyan minél nagyobb egy tokamak, annál jobb, a fúzió teljesítménye a térfogatával egyenes arányban nő, de a nyomásával négyzetesen arányosan nő. Ezért a mágneses mező növelése még gyorsabban növeli azt, hogy mennyire jó fúziós reaktort tudunk építeni, mint a reaktor mérete.” Ez kisebb, magasabb mágneses erejű berendezéseket jelent, amiket megépíteni és egyben tartani is olcsóbb lehet.

Bár csökkent az elmúlt időben a magas hőmérsékletű szupravezetők ára, és egyre többet gyártunk belőlük, még egy jó nagyságrendet kellene ugrani ahhoz, hogy technológiailag is megérje a megoldás. A gyártás tempója nagyon lassú, érzékeny anyagokról van szó, amiket magas hőmérsékleten kell nagyon pontosan összeolvasztani a megfelelő formára, mert azután már nagyon törékennyé válnak. Az is fontos, hogy ezek az anyagok ellenállóak legyenek például a neutronsugárzással szemben, mivel egy fúziós reaktor elsősorban neutronforrás. Ezek a szupravezetők pedig egyelőre nagyon érzékenyek a neutronsugárzásra. Az sem magától értetődő, hogy hogyan tudunk egyben tartani egy olyan rendszert, aminek a két oldalán a lehető leghidegebb és legmelegebb hőmérsékletek vannak jelen: a köztük lévő anyagokat úgy kell megtervezni, hogy kibírják a hosszú távú üzemet.

Az erőműnek magának kell megtermelnie az üzemanyagot

Egyelőre az üzemanyagciklus problémája sem megoldott – ez az, amiről az ITER-rel kapcsolatban is sok szó esik. Ugyan deutérium rengeteg van a tengervízben, vákuumlepárlással gyönyörűen ki is lehet nyerni, tríciumból viszont a természetben szinte semmi nincs, mivel nagyon radioaktív, és hamar bomlik. „De ha a nehézvízből származó deutériumhoz még több hidrogént adunk, akkor lehet termelni tríciumot. Ilyet most a nehézvizes atomreaktorokban termelünk, ahol maghasadás történik” – mondta a szakértő. Csakhogy rengeteg ország éppen most szereli le az atomerőműveit, ezért a következő néhány évtizedben jelentősen csökkenni fog a megtermelt készlet, a tríciumot pedig a felezési ideje miatt nem is lehet hosszan tárolni. Ezért akkor kell megépíteni ezeket a deutérium-trícium reakcióra képes erőműveket, amikor éppen van hozzá elég trícium. Körülbelül gigawattévenként 55 kiló tríciumra van szükség azért, hogy deutérium-trícium reakció létrejöhessen, egy erőmű igénye a teljes üzemidő alatt több száz kilónyi. Nagyjából az a konszenzus tehát, hogy egy ilyen üzemanyagra épülő erőműnek meg kell termelnie a saját tríciumát.

„Nemcsak arról van szó, hogy a saját üzemanyagát meg kell termelnie, az első számú cél az, hogy önellátó legyen. Ez azt is jelenti, hogy mindig kell lennie elég tríciumnak egy ilyen fúziós reaktorban, és mindig kell lennie elég felhalmozott tríciumnak is, hogy legyen, ha kiesik a reaktor a működésből valamiért” – mondta a szakértő. Fontos kérdés még, hogy hogyan hasznosítjuk újra azt a tríciumot, ami nem vesz részt a trícium-deutérium reakcióban, körülbelül száz tríciumatomból ugyanis átlagosan csak egy egyesül deutériummal, a többit vissza kell forgatni valahogy.

Tríciumot lehet „tenyészteni” is lítium segítségével neutronsugárzás hatására, csakhogy ehhez 6-os lítiumra van szükség, nem pedig 7-esre, ami a természetben nagyobb mennyiségben előfordul – így fel kell készülni arra is, hogy dúsításra lesz szükség. Általában sokszorozni kell a neutronokat is ehhez, ezért neutronsokszorozókra is lehet szükség, amihez két anyagot lehet használni: berilliumot és ólmot. Előbbi sokkal jobb megoldás lenne, de kevés van belőle a természetben, és még az ólomnál is mérgezőbb.

A működő fúziós reaktor útjában állnak még egyéb anyagproblémák is: nemcsak a szupravezetőnek kell kibírnia a sugárzást, hanem minden másnak is. A köpeny, amiben a tríciumtermelést végezni fogják, könnyen felaktiválódik, de egyébként is minden strukturális anyagnál fontos lesz, hogy sugárzásbíró legyen. A jelenleg használt különböző acéladalékok, amik az anyag erősségét adják, nem azok – csak néhány modern acélfajta felel meg ennek a kritériumnak. Ha ezek nem jelentenek járható utat, új anyagokat kell kikísérletezni.

Plazmafizikai szempontból az is kihívás, hogy mennyire tudjuk egyben tartani a plazmát – ha ugyanis eléggé felfűtjük, hirtelen jobb állapotba kerül, elválik a berendezés falától, jobb szigetelő lesz, több lesz benne a fúzió, csakhogy megjelennek olyan furcsa állapotok is, amiket még kevésbé ismerünk. Vannak például plazmakitörések, amikor nagy mennyiségű anyag és hő csapódik ki a plazmából, ez pedig azért nagy baj, mert a falat burkoló Wolfram-elem kisülésenként rongálódik, szó szerint kilyukad. Egy erőmű az élettartamát tekintve nagyjából háromméternyi falon enné át magát, ha ezt a problémát nem tudjuk megoldani – vagyis azt, hogy ne kerüljön ilyen állapotba a plazma.

„Mi van akkor, ha hagyjuk, hogy a magántőke vegye kézbe a fúziót? – tette fel a kérdést Cziegler István, összehasonlítva a fúziós energiát az űrkutatással. – 40 évnek kellett eltelnie ahhoz, hogy az űrkutatást a magántőke kézbe vegye, most már meri vállalni, hogy továbbviszi a dolgot. A fúzió viszont még nem szállt föl. Nem tartunk ott, hogy a magántőkének adjuk.”

Az ilyen felmerülő és megoldandó problémáknak azonban nemcsak hátrányaik, hanem előnyeik is vannak: a fúziós erőművek, még a kísérleti ITER, is rengeteg új jelenséget fog eredményezni, izgalmas kutatásokat, új fizikát és mérnöki tudományokat hoz majd magával, aminek a megértése és megoldása a következő generáció feladata lesz.