Új korszak kezdődik, amikor kigyúl a második Nap

Fúziós hét az Indexen! Ezekben a napokban bemutatjuk a fúziós energia kutatásának egyik fő központját, a franciaországi ITER-t; hogy hol tart a munka, min dolgoznak a magyarok, mik a hatalmas nemzetközi projekt ígéretei, kilátásai, lehetséges buktatói. Ez itt az Index fúziós cikksorozatának első része, amiben áttekintjük, hogy mi is az a fúziós energia, és mi az az ITER, aminek épülését saját szemünkkel is láttuk, és hamarosan beszámolunk ezekről a tapasztalatainkról is.

Az év: 1985. A helyszín: Genf, Svájc. A főszereplők: Mihail Gorbacsov és Ronald Reagan, a világ két szuperhatalmának vezetői. A szovjet főtitkár és az amerikai elnök politikai karrierjük során először találkoztak egymással, hogy a hidegháború szorításában nemzetközi diplomáciai kérdésekről, a fegyverkezési versenyről cseréljenek eszmét.

A kétoldalú tárgyalások gyümölcsként 1985. november 21-én egy hatoldalas, közös amerikai-szovjet nyilatkozat született, aminek lapjain az emberiség sorskérdéseiről fejezte ki egyetértését Gorbacsov és Reagan. A 13 fő pontból álló történelmi dokumentum 34 évvel később is roppant érdekes és tanulságos: onnan indít, hogy egy atomháborúnak nincsenek nyertesei, ezért soha nem szabad elindítani, és azzal végződik, hogy a két vezető hangsúlyozza a termonukleáris fúzió békés célú, kontrollált felhasználásának fontosságát. Ennek a lényegében kifogyhatatlan energiaforrásnak a megszerzése érdekében a lehető legszélesebb körű nemzetközi összefogást sürgetik,

Az év: 2019. A hely: Cadarache, Franciaország. A főszereplő: a provence-i dombok közt magasodó ITER, avagy International Thermonuclear Experimental Reactor, Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor, a világ legnagyobb tudományos projektje. Lehet hogy pátoszosan hangzik, de a Marseille-től északra, egy-másfél óra autóútra épülő ITER annak a 34 évvel ezelőtti politikusi felismerésnek első kézzelfogható gyümölcse lesz, hogy rossz irányba tartanak a dolgaink, és ha nem teszünk semmit, annak rossz vége lesz.

Kísérlet a reményre

A fúziós energia a fizikusok és energetikai mérnökök köreiben már jó ideje az egyik legforróbb téma. A világban kutatóintézetek tucatjaiban zajlanak fúziós energiával kapcsolatos kutatások: leginkább Európában, de az Egyesült Államokban és Ázsiában is. Mi, magyarok pedig igazán büszkék lehetünk arra, hogy a feladatokból a mi tudósaink, fizikusaink, mérnökeink is kiveszik a részüket. Csillebércen, a Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézet plazmafizikai osztályán többek között az ITER-hez kapcsolódó mérnöki tevékenységgel is foglalkoznak, sőt a legtöbb wigneres fúziós mérnök ezen a területen, az ITER és fúziós diagnosztikai fejlesztések kutatócsoportban dolgozik. Cadarache-ban is folyamatosan kint van 5-8 magyar mérnök, néhányuk főállásban dolgozik az ITER-rel kapcsolatos fejlesztéseken.

Nagy szavak ide vagy oda, az ITER valóban az egyik legnagyobb reménye az emberiségnek a szinte tökéletesen tiszta és emberi léptékkel kifogyhatatlan energiaforrás kiaknázására, ami az emberi civilizáció számtalan kérdésére, problémájára nyújthat megoldást. A remény meglehetősen távoli, generációkon túlmutató, és ez az ami talán a legnagyobb kihívás benne. Az ITER ugyanis egy hatalmas kísérleti fúziós erőmű lesz, ami még nem termel áramot a villamos hálózatba. Olyan kísérlet lesz, ami ha sikerrel jár, akkor további kísérletek (DEMO reaktor, PROTO reaktor, és így tovább) kell kövessék, mígnem le tudják tenni az asztalra a sorozatgyártható, skálázható, lakóházakba, gyárakba, kórházakba egyaránt telepíthető, óceánjárókba és űrrakétákba is beépíthető, olcsó fúziós erőművet. Ez pedig még messze van, jó pár évtized távlatában.

Az ITER nagyságát leíró számok impresszívek: a reaktorkamrában 840 köbméter plazma fér majd el, ezt 360 tonnányi szupravezető mágnes tartja majd kordában, a hatalmas vasbeton kockába bújtatott reaktorszerkezet összesen 23 ezer tonna acél fogja alkotni. Az egész ITER tíz évre vetített összköltségét jelenleg 15 milliárd euróra becslik - ez ma a világ legnagyobb és legdrágább kutatás-fejlesztési projektje, amiben egyenrangú partnerként vesz részt az USA, Kína, Oroszország, Dél-Korea, Japán és India, valamint az Európai Unió, annak összes tagállamával. Az ITER a tervek szerint 30 évig fog üzemelni, és a fúziós kutatók, fizikusok, mérnökök azt szeretnék vele kideríteni, hogy lehetséges-e fúzióval villamos energiát termelni ipari méretben. De bármennyire is szeretnénk már, hogy fúziós erőművek lássák el az összes energiaéhes nagyvárost árammal, az idő ólomszárnyakon röpül.

Mihail Gorbacsov és Ronald Reagan csúcstalálkozójától számítva húsz év telt el, mire a kutatók nagy vonalakban kidolgozták a kísérleti reaktor terveit és a projektbe beszálló államoknak sikerült megegyezniük, hogy az hol épüljön föl. A végső egyezséget 2006-ban írták alá, a munkát felügyelő ITER Organization 2007-ben jött létre, és ekkor került sor az első kapavágásra, a francia atomenergetikai kutatóváros, Cadarache mellett. A reaktorépület és a kiszolgáló létesítmények fölépítéséhez szükséges terület rendezése 2009-ben fejeződött be, nagyjából a rákövetkező évtől számíthatjuk az ITER építését. Most 2019-et írunk, az ITER nagyjából kétharmad részben kész, ha minden jól alakul, jövőre kezdik összeszerelni a fánk alakú reaktorkamrát, és majd csak 2025-ben nyomják meg ünnepélyesen a nagy piros gombot, amivel a plazma létrejön. Ez még csak a "puha", ionizált hidrogénből generált hideg plazma lesz, a "kemény", a Napnál is forróbb deutérium-trícium fúziós kísérletek 2035-ben veszik kezdetüket. Az ITER létezése a tervek szerint ekkor teljesedik ki: a kutatók 50 megawatt energia befektetésével szeretnének legalább 500 megawatt energiát nyerni, úgy, hogy a második Napként tündöklő több százmillió fokos plazmát sikerül egyben tartani és megszelídíteni.

Deutérium és trícium, két jóbarát

Hogy ez miképp lehetséges, hogy miken alapul az ITER-hez hasonló fúziós erőművek működési elve, miért is vár tőlük a fél világ sci-fikbe illő technológiai megváltást, nem könnyű pár mondatban válaszolni (minderről szűk két évvel ezelőtt írtunk részletesen). Egy reménybeli, pöpecül működő ITER-típusú fúziós erőmű termonukleáris erőmű lesz, azaz a hagyományos, maghasadás elvén működő atomerőművekkel szemben magfúzión alapul a működése. Ez azt jelenti, hogy nem urán lesz benne a fűtőanyag, és nem a maghasadás során felszabaduló hőenergiát használja áramtermelésre, hanem az elemi hidrogén két, természetben is megtalálható izotópja, a deutérium és trícium nagy nyomáson és magas hőmérsékleten történő fúziója szolgáltatja az energiát.

Mindez egyszerűen hangzik, csakhogy míg a csillagokban, így a Napban is működő termonukleáris fúzió önfenntartó, és igazából sem időbeli, sem térbeli korlátai nincsenek (valamint hidrogénnél nagyobb tömegszámú elemekkel is él), itt a Földön, emberi léptékek mellett egyelőre nem működik.

Az elvvel minden fizikus tisztában van: ha megfelelő körülmények között egymáshoz préseljük egy deutérium és egy trícium atom magjait, akkor héliummá egyesülnek, miközben egy neutron is felszabadul. Mivel a hélium sokkal kedvezőbb energiaszintet jelent, mint amit a hidrogén két izotópja képvisel, a két állapot közti energiakülönbözet a hélium és a neutron mozgási energiája formájában távozik. Pandora szelencéjének kulcsa természetesen a megfelelő körülmények előteremtése.

Ahhoz, hogy földi körülmények között – azaz a fúziós reaktorunkban – egyesüljenek a deutérium és trícium atommagok, százmillió Celsius-fokra kell fölhevíteni az ekképp plazmává váló fűtőanyagunkat (a plazma a szilárd, a folyékony és a gáz mellett az anyag negyedik halmazállapota, gázokból keletkezik hevítéssel). A fizikusok tudják, hogy ez elvben így működik, a gond ott kezdődik, hogy a mérnököknek még nincs a kezükben a hogyanra válaszoló részletes tervrajz. Ugyanis a százmillió fokos plazmát tudni kell kordában tartani: semmiképp nem érintkezhet a reaktorkamra falával, mert azonnal elpárologtatná azt, miközben a plazma lehűl, a fúzió leáll, és lőttek az energiatermelésnek. A megoldás elméletben az, hogy speciális mágneses teret kell a plazma körül létrehozni, amiben a pozitív és negatív töltésű elemi részecskékből álló anyag rendezetten, a kívánalmaink szerint mozog – ez a mágneses plazmaösszetartás alapgondolata.

A plazmát tehát mágnesesen lebegtetni kell a reaktortérben, hogy ne érjen hozzá a tartály falához. Ehhez elektromágnesekre van szükség, mivel az állandó mágnesekkel nem lehet elég erős és megfelelő geometriájú teret előállítani. Ezzel kapcsolatban nagyjából a huszadik század közepe óta folynak kutatások, amik jelenleg 3-4 életképesnek tűnő koncepció mentén zajlanak. Az ITER reaktordizájnja a szovjet és amerikai tudósok által nagyjából egy időben megalkotott, úgynevezett toroidális mágneses összetartású vákuumkamra, a fánkszerű tokamak (a tokamak orosz mozaikszó és annyit tesz, hogy toroidális kamra mágneses tekercsekkel, avagy тороидальная камера с магнитными катушками, toroidalnaja kamera sz magnyitnimi katuskami). A tokamak típusú kísérleti fúziós erőművekben a vákuumkamrát elektromágneses tekercsek gyűrűi veszik körül, illetve horizontális és vertikális tekercsekre is szükség van, hogy a számunkra szükséges, önmagába visszatérő, a plazmát csapdába ejtő mágneses térszerkezet létrejöjjön. (A másik fő reaktordizájn a sztellarátor, amin leginkább német kutatók dolgoznak, itt bonyolult geometriájú külső tekercsekkel érik el a kívánt plazmatekeredést.)

Noha a fentiekben a fúziós elméletnek csak töredékét és azt is csak felületesen foglaltuk össze, talán jól látható, hogy mennyire komplex és korábban sosem látott technológiáról van szó. Az ITER, amikor fölépül, és működni kezd, a világ legösszetettebb komplexuma lesz, bonyolultabb, mint eljutni a Holdra, bonyolultabb mint a Nemzetközi Űrállomás, bonyolultabb, mint bármi, amit mostanáig emberkéz alkotott. Erről saját szemünkkel is meggyőződtünk, amikor szeptember közepén egész napos túrán vettünk részt a provence-i dombok közt magasodó építkezési daruk erdejében. Minderről a következő cikkünkben olvashatnak.

(Borítókép: Nagy Attila Károly/Index)