Fúzió –az energia-játszma ütőkártyája?

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna

A társadalom energia-éhsége egyfolytában növekszik, miközben a jelenleg is legfontosabb energiaforrás, vagyis a fosszilis energiahordozók mennyisége csökken. Chris Warrick, a European Fusion Development Agreement (EFDA, Európai Fúziós Fejlesztési Megállapodás)munkatársa megmagyarázza, hogy miért remélhetjük, hogy a fúzió kutatása biztonságos és környezetbarát energiaforráshoz vezet.

Az emberiség régi vágya, hogy felhasználja a fúziót – a Napban zajló energia-termelő folyamatot – mivel ez csaknem korlátlan mennyiségű energiát biztosítana környezetszennyezés nélkül. Egy lépéssel közelebb kerülhetünk ennek a vágynak a megvalósításához, ugyanis Franciaország déli részén, Cadarache-ban elkezdik építeni az ITER-t, egy új reaktor-méretű fúziós berendezést.

Miért kutatnak egy új energiatermelési mód után? Becslések szerint az emberiség energia-felhasználása a következő 40 évben megduplázódik, ez az érték még tovább növekedhet, ha a fejlődő országok kiemelkednek a szegénységből. Jelenleg a Földön az energia 80 %-át fosszilis energiahordozók elégetésével nyerik, ami környezetszennyezéshez és globális felmelegedéshez vezet. Azonkívül a fosszilis energiahordozók készletei kimerülőben vannak. Ennek az első jelét, az olajtermelés csökkenését aránylag hamar tapasztalni fogjuk. Varázspálcával nem oldhatjuk meg a problémát. Ehelyett több, jól átgondolt lépés vezethet el a megoldáshoz. Növelni kell az energia-felhasználás hatékonyságát, nagyobb arányban kell alkalmazni a megújuló energiaforrásokat és az atomerőműveket, és gyorsítani kell az új technológiák, például a magfúzió kutatását.

Nem  új az a törekvés, hogy szabályozott fúziós reakcióval állítsanak elő tiszta energiát. Azonban sok problémát kell még leküzdeni ahhoz, hogy a Napban megfigyelt reakciókat földi körülmények között utánozni tudják. A nehéz atommagok hasadásával ellentétben, a könnyű magok egyesítése csak különleges körülmények között valósítható meg. A földi kísérletekhez azt a reakciót választották ki, amelynek során egy deutérium atommag egyesül egy trícium atommaggal – mindkettő a hidrogén nehezebb izotópja - miközben egy hélium atommag és egy neutron keletkezik, amely elviszi a felszabaduló energiát. A reakció megindulásának az a feltétele, hogy a részecskéknek nagy legyen az energiájuk, vagyis a gáznak magas legyen a hőmérséklete,  kb. 150 millió Celsius fok. Ezen az igen magas hőmérsékleten a gázatomok ionizált állapotban vannak, ezt plazmának nevezzük. Ahhoz, hogy a reakció végbemenjen és több energiát termeljen, mint amennyit felhasználtunk ahhoz, hogy az üzemanyagot  felhevítsük, megfelelő részecske-sűrűség mellett megfelelő ideig együtt kell tartani a plazmát a reakciótérben.

A fúziós reakció, a maghasadással ellentétben, nem láncreakció. Ezért nem következhet be a folyamat megszaladása, így a folyamat eredendően biztonságos.  A plazma-tartályban bármelyik pillanatban egyszerre csak néhány gramm üzemanyag van jelen, amely egy perc alatt “elég”. A reakció  leállításához csak annyit kell tenni, hogy megszűntetjük az üzemanyag utánpótlását, mint egy gáztűzhelyben.

Az utolsó három évtizedben főként a tokamaknak nevezett eszközzel folytattak kutatásokat. A tokamakban a doughnut (amerikai fánk) alakú plazma-gyűrű légüres térben lebeg egy tartályban. Annak érdekében, hogy a plazmát  150 millió oC-os hőmérsékleten tudják tartani, meg kell akadályozni, hogy a plazma a tartály falához érjen. A plazmát, amely töltéssel rendelkező részecskékből (ionokból és elektronokból) áll, erős mágneses térrel tartják össze, amelyet a tartály körül elhelyezett nagy elektromágneses tekercsekkel hoznak létre.

A JET tartály belseje plazmával

Ahhoz, hogy a plazmát ilyen magas hőmérsékletre fel tudják hevíteni, több egymást kiegészítő módszert alkalmaznak. Az egyik eljárás során erős elektromos áramot bocsátanak a plazmán keresztül, miközben kívülről mikrohullámmal és semleges részecske-nyalábbal sugározzák be.

A JET tokamak

Komoly előrehaladás történt világszerte a tokamak-kísérletek terén. Az Egyesült Királyságban a Culham Science Centre-ben felépített Joint European Tokamak, más néven: Joint European Torus (JET, Egyesített Európai Tokamak/Torus) biztosítja a legkomolyabb kutatási lehetőséget. A JET az európai fúziós kutatás jelenlegi csúcspontja, emellett azonban sok kisebb tokamakkal is folytatnak kísérleteket a kontinens laboratóriumaiban.

A JET-ben folyó munkát a European Fusion Development Agreement (EFDA, Európai Fúziós Fejlesztési Megállapodás) szervezi és koordinálja. Mint a világ legnagyobb működő tokamak-ja, és az egyetlen, amely képes mindkét fúziós üzemanyagot (deutériumot és tríciumot) tartalmazó plazmával működni, a JET-ben biztosítani tudják a fúzió megvalósulásához szükséges feltételeket.  A JET működéséből azt is meg lehetett tanulni, hogy hogyan lehet összetartani a plazmát és biztosítani a stabilitását, a plazma állapotában bekövetkező ingadozások ellenére is.

Bár a JET teljesítménye (körülbelül 16 megawatt) megközelíti, de még nem éri el azt az értéket (25 megawatt), amely a plazmában a fúziós hőmérséklet fenntartásához szükséges. A berendezéssel kevesebb energiát nyernek, mint amennyit betáplálnak – nem túl bíztató eredmény egy erőmű esetében. Azonban a JET-tel és a kisebb fúziós berendezésekkel végzett kísérletek adatainak elemzése azt mutatja, hogy egy nagyobb berendezés esetében megfordul ez az arány, és a fúzió során lényegesen több energiát lehet nyerni, mint ami a plazma fűtéséhez szükséges.

Bár meg vannak győződve arról, hogy egy fúziós erőművet valóban lehet így építeni, de ahhoz még további kutatómunka szükséges, hogy olyan technológiát dolgozzanak ki, amely biztosítja, hogy az erőmű biztonságosan, megbízhatóan és gazdaságosan működjön. Az International Tokamak Experimental Reactor (ITER, Nemzetközi Kísérleti Tokamak Reaktor) éppen ilyen berendezés lesz: mérföldkő az energiatermelő fúziós reaktorokhoz vezető úton. Az ITER kétszer akkora lesz, mint a JET, tíz percen keresztül 500 megawatt teljesítménnyel tud működni – így legalább tízszer annyi energiát termel, mint amennyi a plazma fűtéséhez szükséges.

Az ITER fúziós berendezés

Amint a neve is tükrözi, az ITER egy nemzetközi vállalkozás, amelyben hét közreműködő vesz részt: EU, Japán, USA, Dél- Korea, Kína, Oroszország és India. A tervek már elkészültek – ezek szerint a legmodernebb technológiát fogják alkalmazni, mint például szupravezető elektromágneseket és egyéb fejlett eszközöket. 2005 júniusában hozták meg a döntést, hogy a dél-franciaországi Cadarache-ban építik fel a berendezést. Már folynak az előkészítési munkálatok, és úgy tervezik, hogy 2015-ben már elkezdheti a működését.

Ennek a technológiának az alkalmazása során biztonságosan meg kell oldani a radioaktív trícium kezelésének problémáját. A fúziós erőmű működése során a tríciumot magában a reaktorban hozzák létre egy zárt körfolyamatban, így nem kell a radioaktív anyagot az üzemen kívül szállítani és a létesítményben is mindig csak egy kis mennyiség van jelen. A plazma tárolására szolgáló tartály belseje radioaktívvá válik annak következtében, hogy a fúzió során neutronok keletkeznek. Azonban ha megfelelő anyagot használnak, akkor vagy már a leszerelés időpontjában inaktív anyagként kezelhető, vagy 100 év után az anyag újra felhasználható lesz, mivel a folyamat során keletkezett radioaktív izotópoknak rövid a felezési idejük. Ilyen szempontból kedvezően hasonlítható össze a fúziós reaktor az “hagyományos” atomreaktorokkal, amelynek működése során olyan hosszú felezési idejű sugárzó izotópok keletkeznek az alkatrészekben, amelyek kezelése csak több ezer év eltelte után lesz biztonságos. A fúziós kutatási program egyik célja, hogy olyan anyagokat fejlesszenek ki, amelyek kevéssé aktiválódnak.

Az ITER alapvető fontosságú abból a szempontból, hogy lehetőséget biztosít az eddig kifejlesztett különböző technológiák tesztelésére egyetlen erőművi méretű berendezésben. Az ITER-nek bizonyítania kell, hogy valóban fel lehet építeni egy fúziós erőművet. Mielőtt hozzáfognának egy ilyen erőmű építéséhez, az anyagokat a reaktor működése közben kell vizsgálni. Egy kereskedelmi reaktor építéséhez csak akkor lehet megadni az engedélyt, ha bizonyítékok állnak rendelkezésre amellett, hogy a berendezés biztonságos és megbízható lesz. Ezeket a vizsgálatokat majd egy speciális berendezésben végzik el, amelynek International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF, Nemzetközi Fúziós Besugárzó Berendezés) a neve. Az ITER , amelynek a költsége 5 milliárd € lesz és az IFMIF anyagvizsgáló létesítmény, amelyé 1 milliárd € lesz, kulcsfontosságú szerepet játszik abban, hogy az atommag-fúziót energiatermelésre lehessen majd felhasználni. Bár ezek a költségek igen magasnak tűnnek, mégis eltörpülnek a világ energiapiacának teljes költsége mellett, amely becslések szerint évente 3 billió €.

Tehát az a nagy kérdés, hogy “mikor fog a fúzió energiát termelni a világnak?”  Az ITER és az IFMIF együttes működése lehetővé teszi, hogy 30 éven belül felépítsék az első kereskedelmi fúziós erőművet. Bár a fúziós energia alkalmazása nem teszi azonnal lehetővé, hogy felhagyjunk a fosszilis energiahordozók felhasználásával, azonban lehetőséget teremt arra, hogy a 21. század második felében egy nagyon értékes új energiaforrás álljon a rendelkezésünkre.

EFDA oktatás és ismeretterjesztés A European Fusion Development Agreement (EFDA, Európai Fúziós Fejlesztési Megállapodás) számos kutatóintézete oktató és ismeretterjesztő programokat szervez, amelyek keretében előadásokat tartanak, iskolákat látogatnak, kutatóintézetek pl. a JET megtekintését bonyolítják le. Az egyes kutatóintézetek részletes bemutatása az EFDA honlapján található meg EFDA Web-oldalán. Az EIROforum keretében, az EFDA részt vesz a Science in School, a Science on Stage fesztivál (www.science-on-stage.net) és más oktató és ismeretterjesztő programok szervezésében.
Az EFDA egy a 60-oldalas kiadványt készített a középiskolák számára , ‘Energy, Powering Your World’ (Energia, mely ellátja a világod) címmel, amely sokféle információt nyújt a diákoknak az energia világáról. A fejezetek arról szólnak, hogy hogyan használjuk az energiát a mindennapjaink során, honnan nyerjük az energiát és hogyan elégíthetjük ki az energiaigényünket a jövőben. Egy csatolt kiadványban a tanárok számára nyújtanak segítséget az energia témájának iskolai feldolgozásához. A füzet ingyenes nyomtatott kópiája angol és holland nyelven megkapható, ha küld egy e-mailt az aline.duermaier@efda.org címre, amely tartalmazza a nevét, a postacímét, és a kért példányszámot (maximum öt). A füzet  elektronikus formában letölthető a www.efda.org/multimedia/booklets_and_articles.htm oldalról. Még ebben az évben a füzet spanyolul, franciául, németül és olaszul is megjelenik	Az EFDA tájékoztatója középiskolások számára
EFDA has a range of other educational materials available, such as a CD-ROM, 'Fusion, an energy option for the future', and a general poster on fusion, both of which can be requested via the EFDA website. The website also provides basic and more advanced information about fusion science. Az EFDA sokféle egyéb oktatási anyagot is készített, pl. CD-ROM-ot ‘Fusion, an energy option for the future’ (Fúzió, a jövő egyik lehetséges energiaforrása) címmel, egy posztert a fúzióról, mindkettő az EFDA Web-oldalán keresztül igényelhető.  A Web-oldalon a fúzió tudományáról alapfokú és haladó információkat is szerezhetünk