Különösen vonzóvá vált a Napban zajló folyamatokat lemásolni vágyó termonukleáris energiatermelés a gyorsuló éghajlatváltozás korában, hiszen a fúziós erőművek majd éjjel-nappal nulla szén-dioxid-kibocsátású villamos energiát kínálhatnak a mai atomerőművekkel járó kockázatok nélkül.
Fotó: ITER RUSSIA / AFP
Eléggé energiafaló a folyamat
A fúzió a hasadás szöges ellentéte – magyarázza az Inverse.com. Míg a maghasadáskor a nehéz elemek, például az urán könnyebb atomokra bontásakor keletkezik energia, a fúzió során a könnyű elemek, például a hidrogén különböző izotópjainak nehezebb atomokká való egyesítésekor. A fúzió beindításához a könnyű izotópokat egy reaktorba helyezik, majd több száz millió Celsius-fokra melegítik, ezáltal ionizált plazmává alakítják. A plazmát mágneses tér tartja egyben. Valójában csak 2022 végén sikerült elérni, hogy egy több milliárd dolláros kaliforniai fúziós kísérlet során több termonukleáris energia termelődött, mint amennyire az előállításához szükség volt. Ráadásul ez a jelenség csak körülbelül egytized nanoszekundumig tartott, és a világ 192 legerősebb lézerének együttes teljesítménye kellett hozzá. Egy magyar részvétellel elért japán eredményről épp tegnap számolt be a Világgazdaság.
A fúziós világ azonban hemzseg a sokkal praktikusabb gépek terveitől. Az olyan új technológiák, mint a magas hőmérsékletű szupravezetők használata, azt ígérik, hogy a fúziós reaktorok kisebbek, egyszerűbbek, olcsóbbak és hatékonyabbak lesznek, mint amilyennek eddig lehetségesnek tűnt.
„A technológiai képességek nagykorúak, amelyek most megfelelnek ennek a küldetésnek a kihívásainak” – idézi a lap Michl Binderbauert, a dél-kaliforniai TAE Technologies fúziós cég vezérigazgatóját.
Már több mint 40 kereskedelmi fúziós cég indult el a TAE 1998-as startja óta, a legtöbbjük az elmúlt öt évben. Ezt a magánbefektetési társaságok sem hagyták figyelmen kívül, amelyek mintegy 6 milliárd dollárral támogatták a fúziós induló vállalkozásokat, és a befektetéseik egyre nőnek. Az új technológia és a magánpénzek kombinációja mellett érvelt Jonathan Menard, a New Jersey-i Energiaügyi Minisztérium Princetoni Plazmafizikai Laboratóriumának kutatási vezetője. Úgy látja, hogy a vállalatoknak a közszféránál általában több pénze van új dolgok kipróbálására, de néhány kockázatra is figyelmeztet: e cégek egyike sem mutatott be akár csak rövid idejű nettó fúziós energia termelést, és azt sem igazolta, hogy a berendezése egy évtizeden belül kereskedelmi mennyiséget termeljen. Ráadásul sok vállalat ígér valószínűtlennek tűnő határidőket.
Már a fúzió előfeltételeinek a megteremtése sem gyerekjáték
Az első kihívás minden fúziós eszköz számára az, hogy elérje a használt izotópok atommagjai érintkezzenek, összeolvadjanak, enélkül a reakció el sem kezdődik. Ám az atommagokban lévő protonok, amelyek pozitív töltésűek, elektromosan taszítják egymást. E taszítás legyőzéséhez legalább 100 millió fokos plazma hőmérsékletre van szükség. Ez a És a hőmérséklet ráadásul csak a deutérium és a trícium, a hidrogén két nehéz izotópja keveréke esetében elég, a többihez még magasabb hőmérséklet kell. Ezért a legtöbb reaktortervező ezzel a DT üzemanyaggal kíván dolgozni.
Szökne a neutron
A második kihívás annak elérése, hogy a plazma túllépjen a „gyulladás” hőmérsékletén, vagyis a fúziós reakciók elegendő belső energiát termeljenek ahhoz, hogy pótolják a kisugárzott energiát, emellett egy-két várost is tápláljanak. Végül meg kell oldani az energia kinyerését a rektorból, majd ezen energia folyamatos átalakítását villamos energiává. Ez utóbbi függ az üzemanyag mibenlététől is. Például a deutérium-trícium üzemanyaggal a reakció során nagy részét nagy sebességű részecskék, neutronok jönnek létre, amelyek nem zárhatók be mágneses térrel, mert nincs töltésük. Emellett a töltés nélküli neutronok nem csak a mágneses mezőkön repülhetnek át, hanem a reaktor falain is, amelyet ezért például ólom- vagy acélburkolattal kell körülvenni. A burokban az elnyelt neutronok energiája hővé alakul, amellyel már víz forralható és áram termelhető hagyományos erőművekben használt gőzturbinákkal.
Tüzelőválasztási dilemmák
A DT üzemanyag bonyolultsága elég nehézkes ahhoz, hogy néhány merészebb fúziós vállalkozás alternatív üzemanyag-keverékeket választott. A Binderbauer-féle TAE például azt a célt tűzi ki, amit sokan a végső fúziós üzemanyagnak tartanak: a protonok és a bór-11 keverékét. Nemcsak mindkét összetevő stabil, nem mérgező és bőséges, de az egyetlen reakciótermékük egy pozitív töltésű hélium-4 magból álló trió, amelynek energiáját mágneses mezők könnyen megragadják, takaró nélkül. Az alternatív tüzelőanyagok azonban kihívásokat is jelentenek, például a TAE-nek proton-bór-11 keverékét legalább egymilliárd Celsius fokra kell melegíteni a fúzióhoz.
A tokamakkal kezdődött
A korábbi reaktorkoncepciókhoz hasonlóan a szovjet tervezésű tokamaknak is volt egy üreges fánkszerű plazmakamrája – amelyben az ionok végtelenül keringtek ütközés nélkül –, a plazmaionokat pedig áramhordozó tekercsek által generált mágneses mezőkkel szabályozták. Már több mint 200 különböző kivitelű tokamakot építettek világszerte, és a fizikusok annyit tanultak a tokamak plazmákról, hogy magabiztosan megjósolhatják a jövő gépeinek teljesítményét. Ez az önbizalom az oka annak, hogy a finanszírozó ügynökségek nemzetközi konzorciuma több mint 20 milliárd dollárt hajlandó elkötelezni az ITER megépítésére. Az ITER egy tízemeletes épület méretére felnagyított tokamak. A dél-Franciaországban 2010 óta épülő ITER várhatóan 2035-ben kezdi meg a kísérleteket deutérium-trícium üzemanyaggal. Ha ez megtörténik, a fizikusok egészen biztosak lehetnek abban, hogy az ITER képes lesz percekig égő fúziós plazmákat tartani és tanulmányozni.
Ötletek sorával próbálkoznak
Napjaink két legjobban finanszírozott fúziós startupja az ITER-él sokkal kisebb és egyszerűbb tokamak reaktorok kifejlesztésében versenyez. Elsőként a Tokamak Energy, az Egyesült Királyság 2009-ben alapított cége lépett. A vállalat az évek során mintegy 250 millió dollár kockázati tőkét kapott egy „gömb alakú tokamakokon” alapuló reaktor kifejlesztésére. De gyorsan jön a Commonwealth Fusion Systems Massachusettsben, is. Ez az MIT 2018-ban indult spinoffja. E cégnek az MIT kiterjedt adománygyűjtő hálózata már közel 2 milliárd dollárt hozott.
Mágneses mezőit mindkét cég az elsők között állítja elő magas hőmérsékletű szupravezetőkből (HTS) készült kábelekkel. E megoldás révén mindkét vállalat az ITER méretének töredékére tudta zsugorítani az erőműtervét.
A vancouveri General Fusion (Kanada) az Egyesült Királyság atomenergia hatóságával működik együtt, hogy megépítsen egy demonstrációs reaktort a talán legfurcsább koncepcióhoz: a mágnesezett célfúzió 21. századi újjáéledéséhez. Ez az 1970-es évek koncepciója annyit jelent, hogy plazmaörvényt lövellünk egy fémdobozba, majd összetörjük a dobozt. Ha ez elég gyorsan történik, akkor a beszorult plazma összenyomódik és fúziós körülményekre melegszik. Ezt nagyon sűrűn ismételve többé-kevésbé folyamatos lesz a fúzió, és máris kész a reaktor.
