Az Európai Unió fúziós kutatási programja jelentős lépés lehet a földi fúziós erőművek megvalósulása felé. A világ egyik legnagyobb kutatás-fejlesztési együttműködésében az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem munkatársai is részt vesznek. Hogyan zabolázzuk meg a csillagok energiáját, és milyen szerepet játszanak ebben a magyar kutatók?
A fúziós energiatermelés régi vágya az emberiségnek, egy pozitív energiamérlegű fúziós erőmű megépítését célzó kutatások régóta folynak. A cél megvalósítására összefogtak a Föld népességének több mint felét befogadó országok, és létrehozták az ITER projektet, a világ egyik legnagyobb kutatás-fejlesztési együttműködését. Tagjai az Egyesült Államok, India, Dél-Korea, Japán, Kína, Oroszország és az Európai Unió.
Lehozni a Napot – a fúzióról dióhéjban
A fúzió könnyű atommagok egyesítését jelenti, a hozzánk legközelebb eső természetes fúziós reaktor pedig nem más, mint a Nap. A Nap fúzió segítségével állítja elő azt a hatalmas mennyiségű energiát, amely a földi életet is táplálja. Éjszaka felnézve a derült égboltra ezernyi fúziós reaktort láthatunk, hiszen az univerzum összes csillaga ilyen módon állítja elő az energiát. A számos működő példa, és az évtizedek óta folyó kutatások ellenére egy pozitív energiamérlegű, az atommagok egyesülésén alapuló reaktor földi megvalósítása még várat magára. Gyakorlatilag a Napot szeretnénk lehozni a Földre, ami nem kis feladat, viszont biztonságos, kifogyhatatlan és környezetbarát energiaforrást kínál.
A sokféle fúziós reakció közül a Földön más folyamat valósítható meg gazdaságosan, mint ami a Napban történik. A Napban főképpen két egymással párhuzamosan zajló energiatermelő ciklus termeli a fúziós energiát. Az egyik a proton-proton (pp) ciklus, a másik a szén-nitrogén-oxigén (CNO) ciklus. Földi körülmények között két hidrogénizotóp, a deutérium és a trícium fúziója (D-T reakció) valósítható meg a legkönnyebben, ennek reakcióterméke egy héliumatommag és egy neutron.
Egy fúziós erőmű elvi felépítése (Forrás: EUROfusion)
Háztáji tríciumtenyésztés és mágneses plazmatartályok
A deutérium a Földön szinte mindenhol megtalálható, mivel nagyjából minden hatezredik vízmolekula egyik hidrogénje deutérium. A trícium ezzel szemben csak nyomokban fordul elő, ezért azt meg kell termelni, szakszóval élve „tenyészteni” kell. Ez a fúziós reakció termékeként előálló neutronnal lehetséges úgy, hogy egy lítiumatommagot alakítunk át magreakcióval héliummá és tríciummá. Ilyen módon a reaktor magának termeli majd az üzemanyag egy részét lítiumból, ami szintén korlátlan mennyiségben megtalálható, kivonható a tengervízből, illetve számos vulkanikus kőzetből.
A fúzió megvalósításánál a nehézséget az okozza, hogy a D-T fúzió bekövetkezésének a valószínűsége 100 millió fokos – a Nap magjánál tízszer melegebb – közegben a legnagyobb. Ilyen magas hőmérsékleten az anyag teljesen ionizált állapotba kerül, azaz az atommagokról leszakadnak az elektronok, ezt az állapotot hívják plazmának. A magas hőmérsékletű plazmát földi körülmények között mágneses térrel kell összetartani ahhoz, hogy ne érjen hozzá a berendezés falához. Ilyen mágneses összetartású kísérleti berendezésből jelenleg nagyjából negyven üzemel szerte a világon.
Az ITER is egy mágneses összetartású kísérleti berendezés, megépítése mérföldkőnek számít a fúziós kutatásokban, mivel számos fizikai folyamat, illetve műszaki megoldás itt lesz először kipróbálható. Többek között célja, hogy 50 MW fűtőteljesítmény mellett 500 MW fúziós teljesítményt produkáljon, ezzel demonstrálva a fúzió energetikai felhasználásának lehetőségét. Itt tesztelik először a tríciumtenyésztési módszereket, továbbá megalapozza majd egy hálózatra is termelő energetikai reaktor koncepcióját.
Megbízható mérések százmillió fokon – magyarok az ITER projektben
Az Európai Unió fúziós kutatási programjának tagjaként az ITER projektben az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont és a BME munkatársai is részt vesznek. Több mint tíz magyar fizikus és mérnök járul hozzá számos részfeladat megvalósításán keresztül ehhez a hatalmas – az Eiffel-toronynál háromszor nehezebb – Dél-Franciaországban épülő berendezéshez.
Az ITER, 2015 szeptemberében (Forrás: iter.org)
A magyar csapat legnagyobb feladata olyan komponensek, kábelek, kábelvezetők, csatlakozók, vákuumátvezetők fejlesztése, amelyekkel aztán az egész berendezés magjában, a 100 millió fokos plazma közelében elhelyezett mérőeszközöket bekábelezik. Az alkatrészeknek olyan speciális követelményeknek kell megfelelniük, mint például, hogy húsz évig karbantartás nélkül kell üzemelniük, illetve a csatlakozókat úgy kell megtervezni, hogy távvezérelt robotokkal cserélhetőek legyenek.
Ehhez a magyar csapat – egy nemrégiben aláírt megállapodás keretében – több mint 400 000 euró támogatást kap a következő két évre. A kutatók még két ITER-diagnosztika, a plazma fúziós teljesítményét mérő, úgynevezett töltéscsere-spektrométer és a plazma sugárzását mérő bolométer-tomográf fejlesztésében is részt vesznek, amihez szintén tetemes összegű támogatást nyújt az Európai Unió.
Magyar mérnökök az ITER-nél: Baross Tétény, Kiss Gábor, Bede Ottó, Nagy Dániel, Palánkai Miklós
Az ITER a dél-franciaországi Cadarache-ban található berendezésénél öt magyar mérnök is dolgozik a helyszínen. Bede Ottó gépészmérnök így vélekedik arról, milyen érzés magyar mérnökként részt venni a világ egyik legnagyobb kutatás-fejlesztési projektjében: „Mindenki örömmel végez olyan feladatot, aminek van értelme, kézzelfogható eredménye. Különösen jó érzés, hogy a munkánk hasznán nem egy szűk befektetői kör fog osztozni, hanem az egész emberiség. Itt Cadarache-ban nap mint nap megéljük, ahogy a nemes cél érdekében összefogó kollégák felülemelkednek a napi politikai vagy akár a több évtizedes nemzetközi feszültségeken, ellentéteken.‟
Az ITER építése összesen 6,6 milliárd eurójába kerül az Európai Uniónak; összehasonlításképpen az Airbus A380-as utasszállító gép fejlesztése 25 milliárd euróba került. Egy EU-s állampolgárnak az ITER építése körülbelül évi 1 euró költséget jelent. Az ITER-hez kapcsolódó fúziós kutatási programot az Európai Unióban az Eurofusion konzorcium fogja össze, amelyre az Unió évi 140 millió eurót fordít.
Fúziós infografika, forrás: Wigner fusion
Letölthető innen.
