I. Energiaforrások az ezredfordulón

A huszadik század gyors ipari fejlődése hatalmasra növelte a modern társadalmak energiaigényét, amit eddig leginkább fosszilis energiahordozók (szén, szénhidrogének) elégetésével fedeztünk. Általánosan elfogadott vélemény, hogy évszázados távlatban ez nem folytatható a források kimerülése, illetve a nagy mennyiségű széndioxid-kibocsátás miatt. Egyértelmű bizonyíték van arra, hogy a Föld széndioxid-koncentrációja az emberi tevékenység hatására növekszik (1. ábra).

Ez a növekedés csapdába ejti a Napból érkező sugárzást és így növeli a Föld átlaghőmérsékletét. Erre a globális felmelegedésre vannak tudományos (2. ábra) és kevésbé tudományos (3.ábra) bizonyítékok.

Vannak azonban olyan vélemények is, hogy a felmelegedést nem feltétlenül az emberi tevékenység okozza, ugyanis az emberi történelem előtt is voltak melegebb és hidegebb periódusok. A témával több Mindentudás Egyeteme-előadás is foglalkozott már (lásd például Bartholy Judit, Láng István, Meskó Attila előadását). A 3. ábrán látható vicces illusztráció ellenére egy igen komoly problémáról van szó, ha nem foglalkozunk vele időben, elképzelhető, hogy később már nem is tudunk beavatkozni a folyamatokba, és a földi élet katasztrofálisan át fog alakulni.

A helyzet megoldására sokan jóindulatúan felvetik, hogy takarékoskodni kell az energiával. Ez valamilyen szinten valóban megtehető, de látni kell, hogy az emberiség nagyobbik része (pl. Kína, India, Afrika) az európai és amerikai életszínvonal töredékén él. Nekik nem lehet azt mondani, hogy "ti takarékoskodjatok, mert különben nekünk mindannyiunknak rossz lesz". Pedig reális becslés szerint már akkor megduplázódik az emberiség energiafogyasztása, ha Kína és India egy lakosra jutó energiafelhasználása csak megközelíti az európait.

A másik jóindulatú javaslat, hogy térjünk át olyan megújuló energiaforrásokra, mint a napenergia, a szélenergia vagy a bioenergia. Ezek valóban mind a Napból származnak, tehát megújulnak. Az pozitív érzelmi hozzáállás mellett azonban érdemes nagyságrendi becslést készíteni arról, hogy mit jelentene mindez Magyarországon. Könnyen kiszámíthatjuk, hogy például háztetőkre szerelt napelemekkel történő energiatermeléshez legalább néhány száz km2 felületre lenne szükség, ami fejenként legalább néhány tíz m² tetőfelületet jelent. Könnyen belátható, hogy ekkora tetőfelület nem áll rendelkezésre Magyarországon. A szélenergia esetében kb. 1 szélkerék kell 300 főre, de vajon hová tesszük ezeket? És mit csinálunk, ha nem fúj a szél, vagy ha nem süt a Nap? Hogyan lehet az energiát tárolni, hogy jusson télire is? Kiszámolhatjuk, hogy ha például vizet akarnánk erre a célra egy hegyi tározóban tárolni, akkor a Balatont naponta fel kellene pumpálni és leengedni. Ma minden komoly (tehát tudományos számításokkal alátámasztott) tanulmány azt mutatja, hogy a megújuló források - bár fontosak lesznek - a jövőben is, csak néhány 10 % energiaigényt fognak kielégíteni. (Hazánk villamosenergia-ellátásáról és a különböző energiahordozókról bővebben hallhattunk Tombor Antal előadásában a Mindentudás Egyetemén.)

Ha nem megújuló forrást használunk, akkor nincs más lehetőség, mint valamiféle anyagátalakítással termelni energiát. Ilyenkor azt használjuk ki, hogy mondjuk A és B anyag valamiféle kötéssel összekapcsolható és a kötési energiát mi használhatjuk fel (4. ábra).

Természetesen a keletkező AB anyagot nem alakíthatjuk vissza A-vá és B-vé, mert akkor vissza kell adnunk az energiát. Kétféle kötéstípus jöhet szóba. A kémiai kötések: például az égés (pl. A: szén, B: oxigén, AB: széndioxid) és mindenfajta más kémiai reakció. Itt az atomok elektronhéjának kötési energiája határozza meg a kinyerhető energia nagyságrendjét, ami kb. 1 elektronvolt/atom. Ebből következik, hogy fejenként 100-1000 kg/év AB anyagot kell termelnünk és ezt utána valahová biztonságosan el is kell helyezni.

A másik kötéstípust az atommagkötések jelentik: itt a tipikus energia atomonként legalább 1 millió eV, ebből kifolyólag valahol 1g/fő AB anyag keletkezik naponta. Ha tehát nem akarunk fejenként egy-egy dombnyi meddőt termelni, akkor muszáj kihasználni a nukleáris energiatermelést. Az atomerőművekben keletkezett fűtőanyag-mennyiség elhelyezése kényelmesen megoldható lenne, ha nem erősen radioaktív anyagról lenne szó. A mai atomerőművekben valójában nem két anyagot egyesítünk egy erősebben kötött állapotba, hanem szétszedünk egy nagyobb atommagot több részre. Ismert ugyanis, hogy a közepes nagyságú atommagok a legerősebben kötöttek. A nukleáris reaktorokban a nehéz atommagok (uránizotópok) széthasítása során sok különböző radioaktív melléktermék keletkezik. Ennek a nem nagy mennyiségű, de mégis veszélyes anyagnak a végleges és biztonságos kezelése a jövő feladata. Meg kell azt is jegyezni, hogy hasítható nagy atommag viszonylag kevés van a Földön. (Aki többet szeretne megtudni az atomerőművekről, annak figyelmébe ajánlom Bencze Gyula előadását.)

Van azonban az atommagok átalakításának egy másik lehetősége is. Mivel a közepes atommagok a legerősebben kötöttek, ezért kisebb atommagok egyesítéséből is lehetséges energiát nyerni. Ezt a folyamatot hívjuk magfúziónak. Ilyen folyamatok zajlanak a Napban és más csillagokban is, ahol hidrogénmagokból hélium épül fel (5. ábra).  A fúziós energiatermelés földi megvalósításának lehetőségét elsőként Teller Ede (6. ábra) fogalmazta meg.

II. Energiatermelés magfúzióval

Sajnos a magfúziós folyamatok csak akkor következnek be, ha az atommagok nagyon közel kerülnek egymáshoz. Az atommagok elektromos töltéssel rendelkeznek, vagyis taszítják egymást, így csak akkor tudnak egymás közelébe férkőzni, ha elég nagy sebességgel ütköznek össze. Erről tekinthetünk meg egy animációt.
Animáció ^|1}| : Az atommagok egymás közti taszítása

A magokat felgyorsíthatjuk részecskegyorsítóval (ahogy ezt már az 1940-es években is meg tudták tenni) és így meg lehet vizsgálni, hogy mely anyagok a legalkalmasabbak arra, hogy fúziós reakcióba lépjenek. E szerint a hidrogén két izotópja, az egy protonból és egy neutronból álló deutérium-, valamint az egy protonból és két neutronból álló tríciumatommagok egyesítése (D-T reakció, ld. a következő animációt!) lenne a legcélravezetőbb.
Animáció ^|2}| : A deutérium-trícium reakció

A reakciókban egy deutérium- és egy tríciumatommagból egy neutron- és egy héliumatommag (alfa-részecske) keletkezik. Deutérium a természetes vízben szinte korlátlanul rendelkezésre áll (minden hatezredik vízmolekula hidrogénje deutérium). A tríciummal már baj van, mert 12 év alatt elbomlik, így a természetben csak nyomokban van. A D-T reakcióban keletkező neutron segítségével viszont lítiumból elő lehetne állítani, és ebben a második reakcióban a trícium mellett megint csak hélium keletkezik. Így egy elképzelt magfúziós reaktor végeredményben deutériumot és lítiumot alakítana át héliummá. A 7. ábrán látható, hogy a reaktor magjában zajlana a D-T reakció, körülötte pedig valamilyen lítiumtartalmú anyagot tartalmazó köpenyben termelnénk a tríciumot. Lítium meglehetősen sok van a Földön, ráadásul elég egyenletesen elosztva. Nem is kellene nagyon nagy mennyiség, egy paksi méretű erőmű nem igényelne többet, mint 1 tonnát évente. A kiinduló anyagok tehát korlátlanul rendelkezésre állnak, nem radioaktívak és nem keletkeznek radioaktív végtermékek sem.
Természetesen nem szabad elhallgatni, hogy ez egy nukleáris erőmű lenne. Rengeteg neutron keletkezik, amelyek még a reaktorban befogódnak valamilyen atommagba, amellyel a közelben találkoznak. Ezekből a reakciókból radioaktív anyagok is származhatnak, viszont mi döntjük el, hogy milyen anyagokat használunk fel a reaktort felépítő szerkezeti elemekben. Tudjuk, hogy vannak anyagok, amelyek neutronok hatására nem lesznek radioaktívak, tehát gondosan kiválasztott szerkezeti anyagokkal ez a nem kívánt probléma megelőzhető. Fentebb már említettük, hogy gyorsítóval lehet fúziós reakciókat kiváltani.

Sajnos az így egymásnak lőtt atommagok a legtöbb esetben csak lökdösik egymást (ld. az atommagok taszítását bemutató korábbi animációt!) és csak nagyon kicsi eséllyel jön létre fúziós reakció. Ez az út tehát energiatermelésre nem járható, mert óriási teljesítményt kell a gyorsítóba pumpálni egy pici fúziós teljesítmény eléréséhez. Jobbak az esélyeink, ha nem gyorsítót használunk, hanem a részecskék hőmozgását. Ilyenkor az ütközések csak elosztják az energiát a részecskék között, és valamennyi fúziós reakció mindenképpen bekövetkezik. A gyorsítós mérésekből tudjuk, hogy a D-T reakcióhoz az atommagoknak 10 keV (kiloelektronvolt) energiával kell mozogniuk, ami 100 millió K hőmérsékleten következik be. Így tehát világos, hogy mit kell tennünk: egy tartályban keverjünk össze fele-fele arányban deutériumot és tríciumot, fűtsük fel 100 millió fokra és használjuk a keletkező többletenergiát!

Sajnos a problémák itt kezdődnek.

III. Mi történik 100 millió fokon?

A fúziós reakciókhoz szükséges 100 millió fokos anyagot nem lehet semmilyen tartályban tárolni, mivel annak anyaga rövid időn belül elpárologna. A Napnak könnyű dolga van, hiszen az óriási gravitációs vonzása összetartja, így a központjában ható óriási nyomás biztosítja, hogy a fúziós reakciók elegendően magas hőmérsékleten, zavartalanul termeljék az energiát. Érdemes megjegyezni, hogy összességében a Napban termelt energia igen jelentős, valójában azonban az egységnyi térfogra számolt energiamennyiség oly kevés, hogy nem is lenne alkalmas egy földi fúziós reaktorhoz. Az áhított 100 millió fokos hőmérsékleten a részecskék intenzív ütközése nemcsak a tartályt párologtatja el, de még az elektronokat is leszakítja az atommagokról, és az atomok szétesnek szabad atommagokra (ionokra) és elektronokra.
Animáció ^|3}| : A negyedik halmazállapot

Ezt az atommag-elektron keveréket hívjuk plazmának, ami az anyag negyedik halmazállapota. Emberi szemmel a plazmaállapot nagyon különlegesnek tűnik, pedig valójában a Világegyetem nagy része plazmaállapotban van, ugyanis a csillagok túlnyomó többsége egy plazmagömb. (A Napról és a Nap légkörében előforduló mágnesezett plazmákról Petrovay Kristóf tartott előadást a Mindentudás Egyetemén.)

A plazmák nagyon különös tulajdonságokkal bíró anyagok. Minden "normális" anyagban a részecskék töltés nélküliek, így elektromágneses terek csak gyengén hatnak rájuk. Vannak persze kivételek, de ez csak bizonyos anyagok esetében van így (pl. vasra hat a mágnes). Ezzel szemben egy plazma részecskéire erősen hatnak mind az elektromos, mind a mágneses terek. Ez a hatás ad egy eszközt is a kezünkbe: talán egy ötletesen kialakított berendezésben mágneses terekkel lehetne a plazmát egyben tartani. Az animáción egy egyszerű hideg plazma látható, amint egy mágnessel mozgatjuk.

Video ^|4}| : Hideg plazma mozgatása mágnesekkel

Egy másik lehetőség a fúziós reakció hasznosítására az, ha nem tartjuk egyben az anyagokat a fúzió alatt, hanem hagyjuk őket szétrepülni. Mivel egy anyagdarab szétrepülése nem következhet be végtelenül kicsi idő alatt, ezért ha elegendően nagy a sűrűsége, akkor a szétrepülését megelőző pillanatokban elég sok fúziós reakció mehet végbe, ami energiát termel. Valójában tehát egy fúziós robbantásról van szó, amelyet 1953-ban sikerült először megvalósítani hidrogénbomba formájában. Sajnos a hidrogénbombában a kellő sűrűséget és hőmérsékletet egy benne elhelyezett atombomba felrobbantásával érik el, ezért egy ilyen folyamatot nem lehet erőművi körülmények között megismételni. Vannak kísérletek, hogy pici fúziós keverékeket lézerrel vagy valami más gyújtással robbantsanak fel. Ez valószínűleg működni is fog kísérletekben, de nem világos, hogy meg lehet-e valósítani gazdaságos ipari alkalmazásként. A lézeres begyújtást az alábbi animáción is megtekinthetjük.
Animáció ^|5}| : Mikrorobbantásos fúzió

Most térjünk ismét vissza a héliumatommagra (azaz alfa-részecskére), ami a D-T reakcióban keletkezik. Ennek energiája 3,5 MeV, kb. 1000-szor nagyobb, mint a plazmarészecskéké. Ha az alfa-részecske bent marad a plazmában, akkor ütközni fog ezekkel a részecskékkel és lassan leadja nekik az energiáját, tehát fűti a plazmát. Ezt hívjuk alfa-fűtésnek, ami kulcsfontosságú folyamat. Nézzük meg a 8. ábrán, hogy mi is történik! 

Amikor elkezdjük fűteni a plazmát, egy bizonyos hőmérsékletnél kezdenek beindulni a fúziós reakciók és rohamosan növekszik az alfa-fűtés, egészen addig, míg el nem éri a plazma hőveszteségét. Ezen a ponton a plazma begyújt, további kis hőmérsékletemelkedésre az alfa-fűtés már meghaladja a veszteséget és a hőmérséklet magától emelkedik az égési pontig. Itt viszont biztosan megáll, mivel a fúziós reakciók gyakorisága egy maximum után biztosan csökken, a veszteségek viszont mindig rohamosan emelkednek. Ez az égési pont tehát a természet törvényei miatt stabil, nekünk csak a friss üzemanyagot és a már lehűlt héliumgáz elvonását kell biztosítanunk. Nem lehet semmilyen megszaladásos baleset, amely az atomerőműveknél (főleg egyes korábbi típusoknál) valós veszély.

Ha egyszer sikerül a fúziós folyamatot fenntartani, már csak az a kérdés, hogyan lehet a megtermelt energiát kinyerni. A fúziós reakció energiáját a neutron- és a héliumatommag mozgási energiája képviseli. A héliumatommag a plazmában az alfa-fűtés révén fűteni fogja a plazmát. A neutron viszont semleges részecske, a mágneses tér nem hat rá, a plazmából szinte akadálytalanul távozik. Amint a berendezés köpenyébe jut, elkezd ütközni a szerkezeti elemek atommagjaival, így melegítve őket. Ezt a hőt valamilyen hűtőközeggel el lehet vonni, és a felforrósított hűtőanyaggal turbinákat lehet hajtani, ami a szokásos erőművi technológiákkal villanyáramot termelhet, vagy akár hidrogént az autók hajtásához.

IV. Csapdába ejtett plazma

Az eddigiekből látható, hogy a fúziós erőmű kulcsa a plazma egybentartása mágneses térrel.  Mivel a szükséges hőmérséklet adott - 100 millió fok -, a plazma sűrűsége nem lehet akármilyen nagy. A nyomás ugyanis a sűrűség és a hőmérséklet szorzata, tehát ha a szobahőmérséklet milliószorosán vagyunk, akkor a sűrűség gyakorlati okokból nem lehet nagyobb, mint a normál légköri sűrűség 10-100 ezred része. Ez tehát azt jelenti, hogy a berendezés kamrájában először vákuumot kell csinálnunk, és abban hozunk létre egy híg plazmát. Érdemes megjegyezni, hogy a fúziós reaktor kamrájában csak kb. 0,1 g deutérium-trícium keverék lenne. Ilyen kis sűrűségen a részecskék ritkán ütköznek egymással, tehát kell keresnünk valami olyan megoldást, amelyben a szabad deutérium- és tríciumatommagok és a róluk leszakadt elektronok egy térrészben tarthatók.

Ismert, hogy a mágneses tér a töltött részecskéket a tér erővonalai mentén spirális mozgásra (ún. Larmor-pályára) készteti (9. ábra). Elég nagy mágneses tér esetén a spirális pálya sugara még a gyors deutérium- és tríciumatommagokra sem nagyobb, mint néhány milliméter, így a részecskék az erővonalakhoz simulva, azok körül spirálisan "tekergőzve" mozognak. A térre merőleges irányban tehát a részecskék gyakorlatilag nem tudnak eltávolodni. Vagyis erős mágneses térrel csőbe zárható a plazma. A mágneses teret zárt erővonalgyűrűkké alakíthatjuk, azaz a cső két végét összeilleszthetjük éppen olyanná, mint egy gumibelső. Ezt a geometriai alakzatot tórusznak hívják. Ebben a toroidális geometriában azonban újabb problémák merülnek fel. Sajnos a görbült mágneses tér miatt a részecskék le- vagy felfelé lassú, sodródó mozgásba kezdenek. Ez a szétválás elektromos teret, az pedig egy újabb sodródó mozgást kelt. Az egész folyamat végeredménye, hogy a plazma elhagyja a tóruszt.
Ez a probléma úgy hidalható át, hogy a mágneses teret csavarvonalban feltekerjük a tórusz mentén, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy vesszőkoszorún a vesszők futnak (10. ábra). A le-felvándorló erővonalak összekötik a plazma tetejét és alját, és kiegyenlítik a részecskék sodródó mozgását. A mai nagy fúziós berendezések mind ilyen tórusz alakú plazmát és csavart teret alkalmaznak. A következő animáció segítségével megfigyelhetjük, hogy amint a mágneses teret bekapcsoljuk, az ionok és az elektronok bent maradnak a berendezésben, de a plazma alján, illetve tetején gyűlnek össze. Ha a plazmáramot is bekapcsoljuk, akkor a csavart mágneses térben a részecskék újra összekeverednek.
Animáció ^|6}| : Részecskék összetartása toroidális geometriában

A csavart térszerkezetet először a tóruszra tekert csavart (helikális) tekercsekkel alakították ki, ez a berendezés a klasszikus sztellarátor (11. ábra). A hatvanas években a moszkvai Kurcsatov Intézetben fejlesztették ki a tokamak berendezést (12. ábra), amely a helikális térszerkezetet a plazmagyűrűben körben folyó árammal állítja elő. Ez a típus sokkal egyszerűbb felépítésű, mint a sztellarátor, mégis jó részecse- és energiaösszetartást mutatott fel. Ez a váratlan eredmény a hetvenes években a tokamak típusú kísérletek burjánzásához vezetett. Kiderült, hogy bizonyos paramétertartományokban a plazma stabil állapotban, hosszú ideig, akár órákig fenntartható. Ennek feltétele, hogy a mágneses tér megcsavarásához szükséges plazmaáramot fenn kell tartani. Ezt általában egy transzformátor segítségével indukálják, ily módon azonban ez csak néhány másodpercig lehetséges. Ráadásul kicsit róka fogta csuka a helyzet, mert a plazmaáramhoz plazma kell, a plazmaösszetartáshoz meg áram, tehát nem csoda, ha vannak olyan paramétertartományok, ahol felborul a rend, és a plazma egy ezredmásodperc alatt szétesik. Ilyenkor azért nagyobb baj nem történik, hiszen ne felejtsük el: csupán 0,1 grammos plazmáról van szó.

A sztellarátor berendezések nem igényelnek plazmaáramot, így ez a konfiguráció alapvetően folytonos működésre alkalmas és nem produkál ilyen hirtelen összeomlásokat. A kilencvenes évekre aztán végül kiderült, hogy a sztellarátorok rosszabb teljesítményében a helikális tekercsek a ludasak. A számítástechnika fejlődésének hatására olyan sztellarátor berendezéseket kezdtek tervezni, ahol a helikális térszerkezetet egy geometriai torzítás okozza és a torzítás alakját különböző stratégiák szerint lehet optimalizálni. Egy ilyen lehetőséget mutatunk be a 13. ábrán. Ezek a berendezések sokat ígérnek, de technológiai fejlesztés tekintetében vagy 20 év késésben vannak a tokamakokhoz képest.

V. A méret számít!

A hetvenes-nyolcvanas években egyre nagyobb és nagyobb tokamakokat terveztek és építettek. Az első berendezéseknél a tórusz sugara még csak 30-40 cm volt, ez a nyolcvanas évek közepére 3-4 méterre nőtt. A 14. ábrán a világ legnagyobb tokamak berendezése, a JET látható, ami az Európai Unió országainak közös kísérlete. A méretnövekedést az az egyszerű tény indokolja, hogy nagyobb méretű test lassabban hűl, mivel a felülete a térfogatához viszonyítva relatíve kisebb. Egy pohár tea 10 perc alatt kihűl, de egy nagy lábas víz kihűléséhez legalább fél óra szükséges. Emellett ismert lett az is, hogy a plazma belseje felé haladva a sűrűség és a hőmérséklet nem növekedhet akármilyen gyorsan, egy kritikus meredekség felett instabilitások lépnek fel. Ebből következik, hogy adott sűrűség és hőmérséklet eléréséhez a plazmának el kell érnie egy minimális méretet. Vannak még más okok is, de az a lényeg, hogy 10-20 méteres berendezéseket kell építeni. Nem valószínű tehát, hogy valaha is fúziós reaktorral hajtott autók fognak járni az utakon.

A plazma fűtését az első berendezésekben a plazmaáram által keltett hő oldotta meg. Itt tehát a vezető közeg ellenállásán alapuló ohmikus fűtésről van szó, ami lényegében úgy működik, mint egy rezsó. Már a kezdetektől nyilvánvaló volt azonban, hogy ezen a módon nem lehet elérni a magfúzióhoz szükséges hőmérsékletet. A plazma ellenállása ugyanis a hőmérséklet növekedésével csökken, és a fűtési teljesítmény is visszaesik. Néhány millió fokos hőmérséklet még könnyen elérhető ohmikus fűtéssel, de a fúzióhoz szükséges százmillió fok már nem. A magasabb hőmérséklet eléréséhez kiegészítő fűtési eljárásokat dolgoztak ki. Az egyik megoldás abból áll, hogy a plazmába felgyorsított semleges atomokat lőnek be. Ezek a mágneses téren akadálytalanul áthatolnak, de a forró plazma ionizálja az atomokat (leszakítja róluk az elektronokat), és így már a mágneses tér csapdájába esnek. A többi plazmarészecskével ütközve lassan leadják energiájukat és fűtik a plazmát. Más megoldásokban olyan rádióhullámokkal sugározzák be a plazmát, amelyek elnyelődnek benne, és hasonlóképpen fűtik a plazmát, mint egy mikrosütő a levest (itt persze megawattos "mikrosütőről", vagyis több ezer mikrosütő együttes teljesítményéről van szó). Ezekkel a kiegészítő fűtésekkel rutinszerűen lehet a fúzióhoz szükséges hőmérsékletet elérni, és a 90-es években először Amerikában, a TFTR nevű berendezésben, majd az európai JET-ben pár másodpercre több megawatt fúziós teljesítményt értek el. (15. ábra) A rekordot azóta is a JET tartja, a TFTR-t egyébként 10 éve leállították. A kísérletek azonban nem rekorddöntésre vannak kihegyezve, hanem leginkább a plazmaösszetartás mikéntjéről szólnak. A berendezések alkalmanként csak néhányszor tíz másodpercre üzemelnek.

A fűtés mellett a másik fontos kérdés a mágneses tér előállítása. A nagy tokamakokhoz erős mágneses terekre van szükség, és az ezt előállító tekercsekben a vezetők kis ellenállása is óriási veszteséget okoz. Például a JET-ben a mágneses teret keltő áramok fenntartására a plazma fűtésére szánt teljesítménynél akár harmincszor többet fordítanak (ami kb. 800 MW, a paksi atomerőmű teljesítményének 40%-a!). Érthető hát, miért csak másodpercekig működtetik ezeket a nagy berendezéseket. Ekkora veszteség nyilvánvalóan megengedhetetlen egy folytonosan működő energiatermelő reaktorban, ezért egy fúziós erőműnek mindenképpen szupravezető tekercsekkel kell rendelkeznie, amelyekben az áram ellenállás nélkül folyik, tehát nincs ellenállási veszteség. A szupravezető tekercsek működéséhez kb. -270 ^oC-ra kell hűteni őket. Bár ez elég nehéznek tűnik egy 100 millió fokos plazma közelében, mégsem megoldhatatlan, szupravezető tokamakok már az 1970-es évek óta épülnek.

A fűtés mellett még számos más problémát is meg kellett oldani. Egy 100 millió fokos közegben szinte semmilyen ipari technika nem működik, mindent az alapoktól kellett kifejleszteni. Persze a plazma sem egészen úgy viselkedik, ahogyan azt vártuk: az elmúlt évtizedekben számos váratlan fordulat (jó és rossz egyaránt) történt. A fúziós technológiával foglalkozó kutatók lelkiállapota ennek megfelelően változott, és ez várhatóan a jövőben is így lesz, mivel vannak még nem pontosan ismert részletek. Nyugodtan kijelenthető, hogy még rengeteg érdekes kutatnivaló van a plazmafizikában, ezért biztatom a hallgatóságot, bátran válasszanak fúziós technológiával kapcsolatos szakmát.

VI. ITER - az első ipari méretű fúziós kísérlet

Bár sok részlet még nem teljesen világos, az első három évtized kutatási eredményei tükrében már a 80-as évek végére nagyjából tudni lehetett, hogy milyen és mekkora berendezés kellene egy gazdaságosan működtethető fúziós erőműhöz. Eddigre kialakultak a fűtési, mérési és szabályozási technikák, és világossá vált, hogy egy ipari méretű kísérletre van szükség, amely tesztelni tudja az alfa-fűtést, a tríciumtermelést és azt, hogy egy ilyen reaktor várhatóan milyen teljesítményeket produkál.

A hidegháború utáni enyhülés egyik első lépéseként ITER néven megállapodás született egy USA-Szovjet-EU-Japán kísérletről. A 90-es években azonban a Szovjetunió megszűnt, az USA pedig már nem igazán volt érdekelt az együttműködésben, így a projekt élére az EU állt. 1997-re elkészültek a tervek és az előzetes költségbecslés, ami 10 milliárd euró volt. (Összehasonlításként, kb. ekkora volt az Airbus 380 repülőgép fejlesztési költsége.) Ez az összeg azonban a döntéshozók számára túlságosan nagy volt, így a politikusok a költségvetés lefaragását javasolták. Ennek nyomán 2001-re megszületett az ITERinónak becézett terv, ami később mégiscsak ITER néven vált ismertté. A 16. ábrán jól látható a tervezett berendezés mérete: egy 6,2 méter sugarú tórusz (összehasonlításként a kép alján egy ember látható). A "kis" ITER költsége már csak 4,5 milliárd euró, viszont nem biztos, hogy az alfa-fűtés fent tudja benne tartani a hőmérsékletet, tehát állandóan kevés kiegészítő fűtés is kell majd.

2003-ban hirtelen fordult a széljárás. Kiderült, hogy az USA-ban a hidrogénalapú gazdasághoz valamilyen energiaforrás is kellene, ennek nyomán az események felgyorsultak. 3 éve alatt belépett a programba Kína, Dél-Korea és India is, mindhárom ázsiai országnak intenzív fúziós kutatási programja van. Évekig húzódó, zsarolásig fajuló politikai vita eredményeképpen 2005-ben megszületett a megállapodás, hogy az ITER-kísérletet a franciaországi Cadarache-ban fogják felépíteni, és 2006 novemberében aláírták az erről szóló szerződést (17. ábra). Az előkészítés és az építkezés kb. 10 évig fog tartani, így 2016-18 táján várható az ITER-ben az első kísérleti plazmagyűrű előállítása. Ebből a történetből is kiderülhetett, hogy a fúziós kutatás egy olyan ritka tudományos vállalkozás, amelyben Európa vezető szerepet tölt be. Az ITER költségeinek felét az EU fedezi, s bár ez nagy pénz, érdemes kiszámolni, mennyi esik ebből egy EU állampolgárra: 3 milliárd euró osztva az EU 500 millió lakosával és tíz évvel, kevesebb mint 1 euró/fő/év. Ennyi luxust talán megengedhetünk!  

Az ITER-kísérlet tehát még mindig nem fúziós erőmű, hanem egy erőmű méretű kísérlet. A számítások szerint 500 MW fúziós teljesítményt fog előállítani, ami legalább tízszeresen meghaladja a plazma fűtésére fordított teljesítményt és néhányszorosan az egész berendezés üzemeltetésének teljesítményigényét. Ezt viszont nem folyamatosan, hanem 500-1000 másodperc hosszú impulzusokban fogja tenni, és az energiával nem termel áramot, csak fűti a környezetét. Lehetőség nyílik viszont arra, hogy teszteljék a trícium előállításának több módszerét is, valamint minden olyan eljárást, ami egy fúziós erőmű működtetéséhez kell.

Video ^|7}| : Fúziós demo-erőmű terve
Az ITER-kísérlet eredményei alapján nyílna lehetőség egy demonstrációs fúziós erőmű felépítésére (ld. a filmrészletet). Erről évtizedek óta készülnek újabb és újabb, az éppen aktuális tudásnak megfelelő tanulmányok. A legutóbbi és legrészletesebb ilyen európai tanulmány szerint a fúziós energia ára valahol 3 és 9 eurocent között lenne kW-óránként, így más energiaforrásokkal összehasonlítva versenyképes lehetne. A biztonsági vizsgálat azt mutatta, hogy még a berendezés teljes szabályzási és hűtési rendszerének összeomlása és a vákuumrendszer jelentős sérülése után sem keletkezne olyan radioaktív szennyezés a környezetben, ami miatt ki kellene a környező lakosságot telepíteni. A mai technika mellett acél szerkezeti anyagokat lehetne használni, az ebből keletkező radioaktív izotópok 100 év alatt lebomlanának és ezután a berendezés minden anyaga újrahasznosítható lenne. Később pedig más szerkezeti anyagok felhasználásával (amelyek ma még csak a fejlesztés elején járnak) még lényeges javulás várható ezen a területen.

Ilyen nagy berendezések tervezése és építése évtizedekbe kerül, vagyis ha 2020 táján elindul az ITER, még kell legalább 15 év az első áramtermelő erőmű beindításáig. A fúziós energiatermelés tehát valamikor a 21. század második felében állhat az emberiség szolgálatába.

VII. Magyarok részvétele a fúziós kutatásokban

Az előadás befejezéseként érdemes ejteni néhány szót a magyar részvételről ezekben a kutatásokban. Egy nukleáris erőmű tipikusan nem egy olyan berendezés, amit egy ország megvesz, mint egy autót, hanem a működtetéséhez szakemberek kellenek. Magyarországon igen fejlett nukleáris kutatási háttér van, ennek köszönhető, hogy ma a villamos energia 40 %-át atomerőmű adja. Ha valaha akarunk Magyarországon fúziós erőművet, akkor ebben a témában dolgozni is kell. A másik része a dolognak, hogy a magyar ipar is csak akkor lesz képes ezen a területen dolgozni, ha vannak kutatók, akik megmondják, mit kell csinálni.

Magyarország mint EU ország részt vesz az ITER-kísérletben és szinte minden más európai fúziós berendezés kutatásában. Bár a kilencvenes évek közepén a pénzhiány sok gondot okozott, mégis már 30 éve folyamatosan vannak magyarországi fúziós plazmafizikai kutatások. A 18. ábrán a néhai MT-1 (Magyar Tokamak 1) látható. Nem hiszem, hogy a közeljövőben lesz MT-2 tokamak, de talán valamelyik mostani hallgatóm majd a 30-as 40-es években lobbizni fog az európai demonstrációs erőmű Magyarországra hozásáért. Éppen az elmúlt években bizonyosodott be, hogy az eddigi kutatások igen jó alapot adnak az ITER berendezéshez kapcsolódó feladatok megoldásában. Óriási igény van magyar kutatókra és mérnökökre, miden laborban szívesen fogadják a kollégáimat. Jelenleg kb. 30 fős csapat dolgozik fúziós feladatokon. 

Az utolsó ábrákon a hazai fúziós kutatás néhány eredménye látható: egy detektorrendszer az angliai MAST tokamakhoz (19. ábra), atomnyaláb-szonda laboratóriumi mérése (20. ábra), az ITER berendezésen a plazmasugárzás-mérő tomográf terve (21. ábra), a JET kísérlethez egy optikai mérés tükörrendszerének terve (22. ábra).

 

Az előadás végén a helyszíni közönség szavazógép segítségével a következő kérdésre válaszolt:

Ön szerint milyen energiaforrást kellene a jövőben Magyarországon előnyben részesíteni?

1. Kémiai forrásokat
2. Megújuló forrásokat
3. Nukleáris forrásokat

A válaszok megoszlása látható a 23. ábrán.