Nagy áttörést értek el a fúziós energia terén

Az MIT kutatói belga és brit kollégáikkal közösen újfajta magfúziós fűtőanyagot fejlesztettek, amellyel a korábbinál tízszer nagyobb energia állítható elő a reaktorban keringő plazma ionjaiból – írja a Popular Mechanics.

Mi ez az egész fúziósdi, és hogy működik?

A fúziós reaktorok a Napban és más csillagokban folyó energiatermelő reakciót lesnék el emberi felhasználásra. A működési elvük lényege, hogy nagy nyomás alatt hidrogénatomokat hevítenek, hogy a villámgyorsan száguldozó részecskéik egymásba ütközzenek és héliummá olvadjanak össze. Ez a fúzió elképesztő mennyiségű energiát szabadít fel. A cél a felszabaduló energia tárolása és elektromos árammá alakítása, ami óriási előnyökkel jár a hagyományos, maghasadásra épülő nukleáris reaktorokkal szemben: bőségesebb nyersanyagellátás, több energia, kevesebb környezetszennyezés, nagyobb biztonság.

Az ilyen jellegű erőművek megalkotásához két reaktortípussal, a tokamak és a sztellarátor típussal dolgozik a tudomány. A tokamak berendezések fejlesztése sokkal gyorsabban zajlott, elsősorban az egyszerűbb kialakítás miatt. Bár a technikai fejlődés mára eljutott arra a szintre, hogy a sok előnyös tulajdonsággal rendelkező sztellarátorok is megvalósítható alternatívát jelenthetnek, a fúziós erőművek kutatásának fő iránya még ma is a tokamak.

Ez egy fánkformájú berendezés, amelyben százmillió Celsius-fokos plazma állítható elő és tartható össze, ebben ütköznek egymással a deutérium és trícium atommagok (a hidrogén izotópjai), hogy héliummá egyesüljenek egy neutron és hatalmas mennyiségű energia felszabadulása mellett. A fúzió lényege, hogy bár a beindításához hatalmas energia szükséges, egy idő után a plazmában beáll egy olyan állapot, ahol a keletkező és egymással ütköző részecskék megoldják a fúzióhoz szükséges hőmérséklet fenntartását.

A probléma nem is az extrém magas hőmérséklet előidézése, hanem hogy nincs olyan anyag, amely kibírná, ha ilyen forró dolgot tartanak benne. A tokamak mágneses teret előállítva képes a plazmát úgy egybentartani, hogy az ne érjen hozzá a tokamak falához, legalábbis elvileg. A forró anyagot így az erős mágneses mezejében lebegtetve keringeti a reaktor.

Mi hozta meg a mostani áttörést?

A kísérleteket az MIT Alcator C-Mod nevű tokamakjában folytatták, és már tavaly szeptemberben lezárultak, de csak mostanra fejezték be az adatok elemzését. Az Alcator C-Modban használt fűtőanyag korábban csak kétféle iont tartalmazott: hidrogént és deutériumot (a hidrogén egy stabil izotópját). A siker kulcsa az volt, hogy a fűtőanyaghoz egy harmadik iont, hélium-3-at adtak hozzá. Ez a hélium egy stabil izotópja, amelynek kettő helyett csak egy neutronja van. A hélium-3 a keveréknek csak kevesebb mint egy százalékát teszi ki.

A kutatók rádiófrekvenciás melegítéssel hevítik fel a fűtőanyagot. A tokamakon kívüli rádióantennákkal eddig kifejezetten a kisebb számban jelen lévő hidrogén ionok frekvenciáját célozták, hogy a hevítésükkel magas energiaszintet érjenek el. A felhevített hidrogén ionok aztán összeütköznek a jóval sűrűbben jelen lévő deutériummal, így hő és elektromosság keletkezik. Ennek a folyamatnak a hatékonyságát sikerült drasztikusan javítani a hélium-3 hozzáadásával, ezúttal már ennek a frekvenciáját célozva az antennákkal.

A fúziós kísérletek során elért energiát elektronvoltban szokás mérni. Ez az az energia, amelyet akkor nyerünk (vagy vesztünk), ha egy elektron potenciálkülönbsége egy volttal változik. Az új módszerrel egy nagyságrenddel nagyobb energia állítható elő, mert 

A kutatás olyan ígéretes eredményeket hozott, hogy a nagy-britanniai Oxfordshire-ben, a világ legnagyobb működő tokamakjában is megismételték a kutatók, és sikerült hasonlóan nagy energiaszint-növekedést elérniük.

A kísérlet eredményeit bemutató tanulmány [pdf] a Nature Physics szaklapban jelent meg.