Magyar kamerák figyelik a magfúziót

Kolbert András@index.hu

Olcsó, tiszta és biztonságos – főleg emiatt szokták a jövő energiatermelési megoldásaként említeni a fúziós reaktorokat a szakemberek. Sajnos a háromból egyelőre az első még nem látszik, a második kettő viszont elméletben igaz.

Csillebércen is születik a jövő energiája, legalábbis ott dolgoznak azok a magyar fizikusok és mérnökök, akiknek közük van a világszerte folyó magfúziós kísérletekhez. Ők főleg a folyamatok megfigyeléséhez szükséges technológián dolgoznak, de ettől még pontosan tudják, mi a helyzet abban a tudományágban, ahol a közelmúltban megjelent hír szerint hatalmas mérföldkövet értek el amerikai szakemberek: most először több energiát sikerült kinyerni a magfúziós folyamatból, mint amennyi a beindításához kellett.

100 millió fok nagyon sok

„Sajnos azért azt tudni kell, hogy trükkösen volt megfogalmazva az a sajtóközlemény” – hűti le a lelkesedést dr. Zoletnik Sándor, a Wigner Fizikai Kutatóközpont Plazmafizikai Osztályának főmunkatársa. „Nem a folyamatot beindító nagyenergiás lézer működtetéséhez szükséges energiát nyerték vissza, hanem több energia jött ki a deutérium-trícium pelletből, mint amennyit az azt körülvevő, a lézersugarak energiáját röntgensugárzássá alaktó aranyhenger átadott neki.”

Fotó: Bloomberg

Ahogy ebből az egy mondatból látszik, a fúzió nem a hétköznapi ember, vagy éppen a holnap technológiája. A fúziós berendezések esetében jelenleg ott tartunk, hogy a Franciaország déli részén nemzetközi összefogásból épülő, 500 megawatt teljesítményű (ami egyetlen paksi blokk teljesítménye) ITER annak ellenére visz el 16 milliárd eurót, hogy csak kísérleti, vagyis hálózatra táplálható energiaszolgáltatásra nem alkalmas szerkezetről van szó. Pillanatnyilag két, alapjaiban eltérő megközelítés is létezik arra, hogyan működhet majd a fúzió, de ebből az egyik, az inerciális fúzió (a korábban említett, lézeres-pelletes megoldás) még a szakértők szerint is valószínűtlenül kis eséllyel lesz áthelyezhető a mindennapokba.

A fúziós energiatermelés lényege, hogy kis rendszámú atommagok egyesülése során felszabaduló kötési energiát a reaktor falában hővé alakítják, majd onnan egy hőcserélő közeggel hagyományos turbinák és generátorok segítségével termelnek elektromos áramot. A fúziós reaktorban zajló magfizikai folyamatok hasonlítanak a nap energiatermeléséhez, ha nem is pont ugyanolyanok. A magyar kutatók többsége nem az inerciális fúzióval foglalkozik, de nekik is jutott varázsszó.

тороидальная камера с магнитными катушками, vagyis tokamak

Az ITER (ahogy a már most is üzemelő, de pozitív energiamérleget felmutatni még nem képes JET) szintén deutériummal és tríciummal fog működni, és alapjaiban véve egyszerű folyamatot felhasználva termel majd energiát. Az üzemanyag egyik feléhez, a deutériumhoz nagyjából korlátlan mennyiségben hozzáférünk, a vízben minden 6500 hidrogénatom közül egy deutérium. A másik hozzávaló, a trícium már cselesebb: ez a hidrogén radioaktív izotópja, és tizenkét éves felezési ideje miatt nem nagyon lehet megtalálni a természetben, szerencsére viszont elő lehet állítani – vagy szakkifejezéssel élve tenyészteni – lítiumból, ami amúgy is nagy mennyiségben kitermelt alkáli fém a Földön. Ezt a tenyésztést a reaktoron belül, az első fal mögött található köpenyben oldják majd meg, így a tríciumot a reaktor folyamatosan előállítja és fel is használja.

Ahhoz viszont, hogy a deutérium és a trícium magjai egyesüljenek, kivételesen kemény körülményeket kell létrehozni. Erre az egyik megoldás a NIF-ben is alkalmazott lézeres-röntgensugárzásos eljárás, a másik pedig a tokamak. Ez utóbbi egy fánkformájú berendezés, amiben százmillió Celsius-fokos (vagy kelvines, ez ilyen szinten már mindegy) plazma állítható elő és tartható össze, ebben ütköznek egymással a deutérium és trícium atommagok, hogy héliummá egyesüljenek egy neutron és hatalmas mennyiségű energia felszabadulása mellett. A fúzió lényege, hogy bár a beindításához hatalmas energia szükséges, egy idő után a plazmában beáll egy olyan állapot, ahol a keletkező és egymással ütköző részecskék megoldják a fúzióhoz szükséges hőmérséklet fenntartását.

Fotó: Ho

Mint kiderül, nem is a százmillió fok előállítása a legnehezebb, ezt a plazmában hajtott árammal, az otthoni mikrohullámú sütőhöz hasonló elven működő csak épp pár ezerszer nagyobb teljesítményű eszközzel, valamint semleges részecskenyalábokkal viszonylag megbízhatóan megoldják a szakemberek. A problémát inkább az jelenti, hogy nincs olyan anyag, ami kibírná, ha ilyen forró dolgot tartanak benne. Az eredetileg szovjet tokamak erre kínál megoldást: speciális, leginkább egy fűzfavesszőből font koszorúra emlékeztető mágneses teret előállítva képes a plazmát úgy egybentartani, hogy az ne érjen hozzá a tokamak falához.

Legalábbis elméletileg, mert a plazma halmazállapotában bár eltér a folyadékoktól, áramlástanilag sok bennük a közös. Például hogy örvényekből álló, úgynevezett turbulens áramlás keletkezik benne, márpedig egy örvény könnyen megbontja a jól szabályozott mágneses összetartást, ami a plazma energiájának gyorsabb elvesztéséhez, akár a plazmaállapot összeomlásához, illetve a fúzió leállásához vezet.

Magyarok kamerával és semleges részecskenyalábbal

A magyar szakemberek feladata az, hogy ennek megakadályozásában segítsenek, méghozzá úgy, hogy elképesztő sebességű és tudású kamerákkal figyelik a plazmát. „A plazmát nem látni, csak a szélét – mivel az előbbi a röntgen tartományban sugároz, és csak az utóbbi a láthatóban –, de ez pont elég ahhoz, hogy kis felvillanásokat keresve lássuk, hol ér hozzá a plazma a tokamak falához” – mondja Zoletnik, aki munkatársaival olyan diagnosztikai rendszerek kifejlesztésén dolgozik, amik ilyen extrém körülmények között is működnek.

Ahhoz képest, hogy Réfy Dániel, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont fiatal kutatója két óra alatt jut el oda, hogy elmagyarázza, mit is jelent a fúzió, mi kellene a működéshez és mik a problémák, a magyar szerepvállalás taglalásához nem is kell sok idő. A plazmaturbulencia mérése alapvető a folyamatok megértéséhez, ezért a magyarok Dél-Korea és Anglia között ingázva tesznek eleget a felkéréseknek. Az általuk tervezett és gyártott kamera- és optikarendszereket ugyanis tulajdonképpen az összes fontos fúziós kísérletben használják vagy használnák. „Ma kint kéne lennem Angliában, azt sem tudom, hol leszek a jövő héten. Egy évből felet nem vagyok itthon” – mondja Réfy, mikor arról kérdezzük, mit is jelent ez a gyakorlatban.

Az APDCAM-nak illetve EDICAM-nak nevezett kameráknak a későbbiekben azonban már nem lesz olyan könnyű dolga, mint most. „Most még oda lehet tenni akár az optikát és a kamerát is a tokamak közvetlen közelébe, később viszont már csak labirintuson keresztül, speciális optikai rendszerrel nézhetünk majd bele a gépbe” – mondja Szabolics Tamás, a Wignerben szoftverfejlesztő mérnökként dolgozó szakember, aki az említett kamerák használatát lehetővé tevő programok megszületéséért és használhatóságáért felel. Az optikai rendszer nem csak azért nagy kihívás, mert valahogy meg kell majd oldani, hogy a speciális tükröket ne koszolják el a plazma által beporlasztott majd kirakódó anyagok, de azt is meg kell akadályozni, hogy a fúziós reakciók során fellépő nagy energiájú neutronok eljuthassanak a kamera optikájáig vagy belsejéig. Erre szolgálnak majd az ITER-ben a plazma fényét tükrökkel kivetítő optikai labirintusok.

Fotó: MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

Szintén fontos az az eszköz, ami egy semleges részecskenyalábot vezet a plazmába, és az ebbe ütköző részecskék illetve a nyaláb saját fényét figyelve olyan adatokat tud megadni, mint például a plazma sűrűsége, sebessége, ráadásul a keletkező örvények megfigyelése is alkalmas. A nyalábemissziós spektroszkópia fúziós kísérletekben használható változatát minden elemében magyarok tervezték és Csillebércen rakják össze: a semleges nyaláb előállításától kezdve a gépbe való bejuttatáson keresztül egészen addig a szenzorig, ami a plazma és a nyaláb kölcsönhatását figyeli. A négy méter hosszú szerkezetegyüttest szintén a világ számos fúziós kutatóberendezésénél felhasználják.

Hogy lesz olcsóbb a kenyér?

A fúziós reaktorok, bármennyire is jól hangzik ez, valójában nem az ingyenenergia korát hozzák majd el az emberiségnek. A kérdést inkább a fenntarthatóság, a biztonság és a környezetszennyezés irányából kell megközelíteni. A reaktorok üzemeltetéséhez szükséges üzemanyag tulajdonképpen korlátlan mennyiségben rendelkezésre áll, méghozzá a könnyen hozzáférhető víz formájában. A lítiumszükséglet akkor is csak a mai duplája lenne, ha hirtelen minden egyes erőművet fúziós reaktorral kellene helyettesíteni.

Bár az atomerőművekhez hasonlóan itt is az atommagok átalakításából születik az energia, a maghasadással ellentétben itt egyik reakciótermék sem radioaktív. A fúziós reaktorokban ugyan keletkezik radioaktív anyag, hiszen a keletkező neutronok képesek felaktiválni a szerkezeti elemeket, de ezeket mindössze nagyjából száz évig kell lezárva és elszigetelve tartani. Ez sokkal könnyebben vállalható ahhoz képest, hogy Paks kis és közepes sugárzású hulladékát 600-1000 évig kell a föld alatt tartani, a reaktorok kiégett fűtőelemeiből származó nagy aktivitású hulladékokkal kapcsolatban pedig még a legóvatosabb becslések is több tízezer évet említenek. „A fúziós reaktor száz éve azért megnyugtatóbb, mert százéves épületet tudunk mutatni, százezer éveset meg nem” – értenek egyet a szakemberek.

Fotó: Boris Horvat

Annak viszonylag kevés az esélye, hogy 50 éven belül a fúziós technológia tömegesen leváltaná a mai termelést domináló nukleáris, szenes, gáz- illetve olajfűtéses erőműveket. Az ITER lesz az első olyan berendezés, ahol a pozitív energiamérleg a cél, vagyis hogy a fúziós folyamatból származó teljesítmény meghaladja a plazma fűtéséhez szükséges teljesítményt. Egy demonstrációs fúziós erőmű megépítése 2050-ig kapott haladékot, de a magyar szakemberek szerint az ITER eredményei nagyban meghatározzák majd a kísérletek további sorsát.

A politikusok már így is csak nehezen adják össze a nagypolitikai viszonylatban aprópénznek mondható tizenhat milliárd eurót, azonban ha záros határidőn belül nem lesz kézzelfogható eredmény, a pénzcsapokat nagy eséllyel elzárják. „Pedig ha úgy nézzük, ez az egész két euróba kerül EU-s állampolgáronként évente, a végeredmény pedig, a mai becslések szerint, legrosszabb esetben is 9 eurocentes áramot jelentene kilowattóránként, ami nem sokkal tér el a mai áraktól, viszont ez jóval tisztább energia” – mondja Réfy. A fiatal szakember szerint az ITER sikeréről megoszlanak a vélemények, van, aki azt mondja, hogy pont a pénzhiány miatt nem sikerül majd elérni a célokat, de azért a többség bízik a sikerben.

A problémák egyelőre tehát főleg technológiai jellegűek, melyeket az ITER megépítése nélkül nem lehet megoldani. Például a mai berendezésekben a plazma közelében levő fal hőterhelése még nem túl nagy, azonban az ITER-ben már új megoldásokat kell kipróbálni a fal aktív védelmére. A szakemberek bíznak abban, hogy az ITER 2020-ra tervezett indulásakor nem jelenik majd meg egy újabb, csak a gyakorlatban előkerülő akadály. Ezt persze biztosan csak akkor fogják látni, ha működik a berendezés. A magyar kutatók szerint bár a fúziós reaktorok sok szempontból a tudomány és az anyagtechnológia legkeményebb kihívásait vonultatják fel (nincs például a világegyetemben még egy hely, ahol akkora hőmérséklet-különbség lenne néhány méteren belül, mint a tokamakban áramló plazma százmillió, illetve a szupravezető mágneseket hűtő rendszer -270 Celsius-fokos része között), ezek közül csak kevés lehet olyan, amit ne lehetne az emberiség mostani, vagy közeljövőben kifejlesztett technológiájával megoldani.

Ők például annyira hisznek ebben az egészben, hogy bár tudásuk és tapasztalatuk alapján akár máshol is dolgozhatnának, mégis megmaradnak kutatónak. Réfy is ezt mondja: „Szerintem más szakterületen is helyt tudnék állni, de abba elég nehéz belekötni, hogy egy jobb világért dolgozol.”