Jelen cikk nagyrészt az IPP által kiadott, az alábbi linken keresztül megtekinthető cikk magyar fordítása, átdolgozva, kiegészítésekkel.
2025. május 22-én befejeződött a világ legnagyobb teljesítményű, sztellarátor típusú berendezésének legutóbbi kísérleti kampánya. Európa és az Egyesült Államok kutatói közötti együttműködés eredményeként a Wendelstein 7-X több más mérföldkő mellett rekordot döntött a fúziós plazmafizika egyik kulcsfontosságú paraméterében, melyet hármasszorzatnak nevezünk. Ez az érték utoléri, méretarányosan tekintve pedig meghaladja az előzőleg tokamakok által felállított rekordot hosszú plazmakisülések esetén.
A fúziós erőművek felé vezető úton a sztellarátorok a legígéretesebb koncepciók között foglalnak helyet. A jövőben képesek lehetnek energiafelszabadításra könnyű atommagok egyesítésével (más néven fúziójával). Ez a reakció plazmában történik – ez egy ionizált részecskékből álló forró elegy, melyet több tízmillió Celsius fokra hevítenek föl. A sztellarátorok mágneses mező segítségével tartják össze a plazmát, amely így „csapdába esik” egy komplex és igen erős mágneses mező belsejében, lebeg egy fánk alakú vákuumkamrában. A Wendelstein 7-X (W7-X), a Max Planck Plazmafizikai Intézetének (Max Planck Institute für Plasmaphysik – IPP) greifswaldi (Németország) telephelyén, az Európai Fúziós Konzorcium, az EUROfusion támogatásával üzemel és a világ legnagyobb méretű és teljesítményű kísérlete a típusán belül. A W7-X-et úgy tervezték, hogy bebizonyítsa: a sztellarátorok is alkalmas koncepciók a jövőbeli fúziós erőművek számára. Ehhez azonban demonstrálniuk kell, hogy az elméletben megjósolt kedvező tulajdonságaikat a gyakorlatban is kamatoztatni tudjuk.
Világelső hármasszorzat hosszú időtartamú plazmákban
A W7-X OP 2.3-as elnevezésű kampányában, mely 2025. május 22-én ért véget, a nemzetközi W7-X csapat világrekord hármasszorzatot ért el hosszú plazmakisülésekben: ezen a napon új csúcsértéket értek el ebben a fúziós kulcsparaméterben (lásd a magyarázatot lejjebb), mindezt 43 másodpercen keresztül. A Wendelstein 7-X ezzel utolérte, méretarányosan tekintve pedig meg is haladta a tokamak típusú fúziós berendezések korábbi legjobb teljesítményét hosszú plazmakisülésekre.
A tokamakok szintén mágneses összetartással működnek, de egyszerűbb felépítésüknek köszönhetően sokkal jobban kutatottak. A hármasszorzatot tekintve a legmagasabb értékeket korábban a JT60-U japán tokamak (2008-ban szétszerelték), valamint a JET európai tokamak létesítmény érte el Nagy-Britanniában (2023-ban szerelték szét). Rövid, néhány másodperces plazmákat tekintve továbbra is ők az egyértelmű befutók. Azonban a hosszú plazmákat nézve, amelyek a jövőbeli fúziós erőművek szempontjából igazán lényegesek, a Wendelstein 7-X jár most elöl. Eredményei – hosszú plazmakisüléseket tekintve – összemérhetőek a JET tokamakéval, aminek plazmatérfogata háromszor akkora, mint a W7-X-nek. Nagyobb méretű berendezéssel ugyanis könnyebb magasabb hőmérsékletet elérni a fúziós reaktorokban. Nagyobb hőmérsékleten pedig könnyebb magasabb hármasszorzatot elérni.
„Az új rekord a nemzetközi csapat óriási eredménye. Lenyűgözően mutatja be a Wendelstein 7-X-ben rejlő lehetőségeket. A hármasszorzat tokamak-szintűre emelése hosszú plazmák esetén egy újabb fontos mérföldkő az erőműnek alkalmazható sztellarátorok felé vezető úton,” nyilatkozott Prof. Dr. Thomas Klinger, aki a Wendelstein 7-X operatív igazgatója, valamint a Sztellarátor dinamika és transzport részleg igazgatója az IPP-nél.
A kulcs a sikerhez: új pelletbelövő az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumtól
Az új, világrekord hármasszorzatot hosszú plazmákra az európai Wendelstein 7-X csapat (Greifswaldban) és az USA-ban dolgozó partnerek együttműködése tette lehetővé. Ebben kulcsszerepet játszott az új pelletbelövő (további részletek a cikk végén), mely fagyasztott hidrogénpelleteket lő be a plazmába, ezzel a folyamatos utántöltéssel pedig lehetővé teszi a hosszú ideig tartó plazmák létrehozását. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (U.S. Department of Energy – DOE) Oak Ridge Nemzeti Laboratóriuma (Oak Ridge National Laboratory – ORNL) Tennesse-ben kifejlesztette ezt a rendkívül kifinomult és világszinten egyedülálló injektort, amelyet sikeresen üzembe állítottak a Wendelstein 7-X-en.
A rekordot jelentő kísérlet során körülbelül 90 db, milliméteres nagyságú, fagyasztott hidrogénpelletet lőttek a plazmába 43 másodpercen keresztül, mialatt nagyteljesítményű mikrohullámokkal fűtötték a plazmát. A fűtés és a pelletbefecskendezés közötti pontos koordináció döntő fontosságú volt a fűtés és az üzemanyag-utánpótlás közötti optimális egyensúly elérésében. Ehhez a kulcs a pelletinjektor különböző, előreprogramozott belövési frekvenciákkal való működtetése volt, amely sémát itt valósították meg először, méghozzá elképesztő pontossággal. Ez a módszer közvetlenül alkalmazható a jövőbeli fúziós erőműveken is és potenciálisan több percesre növelheti a plazmakisülések időtartamát.
A pelletek használata több európai laboratórium előzetes munkájának köszönhetően vált lehetővé. Az Energiaügyi, Környezetvédelmi és Technológiai Kutatóközpont (Centre for Energy, Environmental and Technological Research – CIEMAT, Spanyolország) csapata szimulációs számolásokkal, a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának (Budapest) csapata pedig a pelletek ultragyors kamerákkal történő megfigyelésével járult hozzá a sikerhez (ebben a laborban is folyik egy másfajta pelletbelövő fejlesztése). A mikrohullámú fűtési rendszert (pontosabban az elektronciklotron-rezonancia fűtés) a Karlsruhe-i Technológiai Egyetemmel (Karlsruhe Institute of Technology – KIT) és a Stuttgart-i Egyetem csapatával közös együttműködésben fejlesztették ki. Ez a fűtés jelenleg a legígéretesebb módszer arra, hogy a plazmát a fúzió szempontjából releváns hőmérsékletűre fűtsük.
A rekorder fúziós kísérletben a plazma hőmérsékletét 20 millió Celsius fok fölé emeltük, a csúcshőmérséklet a kísérlet során 30 millió fok volt. A hármasszorzat számolásához szükséges méréseket többek között a Princeton Plazmafizikai Laboratórium (Princeton Plasma Physics Laboratory) munkatársai végezték, akik egy röntgenspektrométer diagnosztikát üzemeltetnek az ionhőmérséklet meghatározására a W7-X-en. A számoláshoz szükséges még az elektronsűrűség értéke, melyet az IPP saját, világszinten egyedülálló interferométer diagnosztikája szolgáltatott. Az energiaösszetartási időt – ami szintén szükséges a hármasszorzat számolásához –, szintén az IPP-nél fejlesztett diagnosztikák adatai alapján határozták meg.
Az OP 2.3 kampány további kiemelkedő eredményei
Az OP 2.3-as kísérleti kampány során a Wendelstein 7-X további két mérföldkövet is elért:
- Az energiaforgalom 1,8 gigajoule-ra nőtt (a plazma időtartama: 360 másodperc). Az előző rekord 1,3 gigajoule volt, melyet 2023 februárjában állított fel a berendezés. Az energiaforgalom a befecskendezett fűtési teljesítmény és a plazma időtartamának szorzata. A nagy energiabevitel folyamatos fenntartása és a keletkező hő elvezetése fontos előfeltétele a jövőbeli erőművi üzemnek. Összehasonlításul, hasonló értéket az EAST tokamak (Kína) produkált egy 1000 másodperces kisülés során, és még ez a kisülés is csak enyhén haladta meg a Wendelstein 7-X új rekordját.
- A plazma nyomása a mágneses nyomáshoz képest először érte el a 3%-os értéket a teljes plazmatérfogatra vonatkoztatva. Egy speciális kísérletsorozatban a mágneses mező nagyságát körülbelül 70%-ra csökkentették, ezzel csökkentve a mágneses nyomást és elősegítve a plazma nyomásának növekedését. Ez az arányszám kulcsfontosságú paraméter a majdani fúziós erőművek szempontjából, ahol 4-5%-ra lesz szükség a teljes térfogatra vetítve. Az új rekord elérése közben a legmagasabb ionhőmérséklet körülbelül 40 millió Celsius fok volt.
Prof. Dr. Robert Wolf, az IPP Sztellarátor fűtés és optimalizáció részlegének igazgatója így foglalja össze: „Ennek a kísérleti kampánynak a rekordjai jóval többet jelentenek, mint pusztán számokat. Jelentős előrelépést jelentenek a sztellarátor koncepció validálásában – a kiemelkedő nemzetközi együttműködésnek köszönhetően.”
Magyar vonatkozások
A W7-X legutóbbi kísérleti kampányában a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának két csoportja is aktívan részt vett, több, mint tíz kutató közreműködésével. Az egyik csoport a már fentebb is említett ultragyors kamerarendszert működteti, melyet jelenleg a pelletek megfigyelése mellett a turbulens transzport vizsgálatára is használnak. Ezen kívül üzemeltetik még a saját fejlesztésű, EDICAM kamerákból álló, a plazma mindenkori állapotának megfigyelésére (pl. az úgynevezett detachment) és biztonsági feladatok ellátására használt kamerarendszert is.
A másik csoport az alkálinyaláb-diagnosztikát fejlesztette és üzemelteti, melyet elsősorban a plazma elektronsűrűségének meghatározására használnak a különböző mágneses- és teljesítménykonfigurációk mellett. A diagnosztika ezen kívül transzportfolyamatok vizsgálatára is alkalmas (például az úgynevezett turbulens transzport, poloidális áramlások, plazmakilökődések vizsgálatára). A plazma szélénél egyedül ez a diagnosztika ad megfelelő pontosságú sűrűségprofilokat, ezért szinte minden kísérletben használják.
További információk a hármasszorzatról
A hármasszorzat – másik nevén a Lawson-kritérium – a fúziós erőműhöz vezető út kulcsfontosságú mérőszáma. A plazma csak akkor tud több fúziós teljesítményt kibocsátani, mint a befektetett fűtési teljesítmény, ha ez az érték meghalad egy bizonyos küszöböt. Ez a küszöb jelöli azt a pontot, ahol az energiamérleg pozitívvá, a fúzió pedig önfenntartóvá válik, nincs szükség további külső fűtésre.
Egy fúziós erőműnél a szükséges küszöbérték:
\(n \cdot T \cdot \tau = 3 \cdot 10^{21}\: m^{-3}\: keV\:s \)A hármasszorzat három érték szorzata:
- a plazma részecskesűrűsége (n),
- a plazma hőmérséklete (T – pontosabban az ionok hőmérséklete, amik között a fúziós reakciók lezajlanak) és
- az energiaösszetartási idő (𝜏 – kiejtve: tau), vagyis az az idő, ami alatt a plazma elveszíti a hőenergiáját, ha nincsen külső fűtés. Az összetartási idő így a hőszigetelés egyfajta mérőszáma.
További információk a pelletbelövőről
2024 szeptembere óta az új, folyamatosan működő pelletbelövőt sikeresen használják. Az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium (Oak Ridge National Laboratory) fejlesztette ki, mely az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (U.S. Department of Energy – DOE) kutatóintézete. A pelletbelövő kifejezetten a Wendelstein 7-X számára készült, kategóriájában világ élvonalába tartozik. A pelletbelövő lehetővé teszi a hidrogénrészecskék folyamatos utánpótlását a plazmába – ez a jövőbeli fúziós erőművek egy alapvető követelménye. A berendezés folyamatosan gyárt egy 3 mm átmérőjű hidrogénjég szálat, amelyből 3,2 mm hosszú, hengeres pelleteket vágnak a másodperc törtrésze alatt és a plazmába lövik ezeket 300-800 m/s-os sebességgel.
