Elméleti korlát újraírása nyithat utat a fúziós energiához

A svájci EFPL műszaki egyetem plazmaközpontjának kutatói újramérték az úgynevezett Greenwald-korlátot, ami leírja, mennyi hidrogén kerülhet egy fúziós reaktorba. A korábban ismert érték 30 éves kísérleti eredményeken alapult, az új eredmények szerint a határérték valójában kétszer olyan magas.

A magfúzió atomok összeolvadásával járó, jelentős energiákat felszabadító folyamat, ami például a Napot is izzítja. Az emberiségnek igen nagy hasznára válna, ha ellenőrzött módon energiatermelésre használhatná a fúziót, mert egyrészt minimális szennyezéssel jár, másrészt a világegyetem leggyakoribb anyaga, a hidrogén az üzemanyaga. Az említett két előny kiaknázása gyakorlatilag civilizációs ugrást jelentene, nem nagy túlzással végtelen, ingyen energiát. Megvalósításához azonban olyan meredek technikai akadályok kell leküzdeni, ami miatt az elmúlt hetven évben eddig mindig három évtizedre voltunk a fúziós energia megvalósulásától. A friss svájci eredmény olyan fundamentális elemet érint, ami miatt először kerülhet három évtizednél közelebb a fúzió korszaka.

A jelenlegi fúziós fejlesztések egyik fő iránya a tokamak nevű berendezéseket használja. Az 50-es években Nobel-díjas szovjet fizikusok, Igor Tamm és Andrej Szaharov által kitalált eszköz egy elektromágnesekkel körülvett, fánk alakú üreg, amelyben hosszabb távon tárolható plazma halmazállapotú anyag. A Napban a fúzió magas hőmérsékleten és hatalmas nyomáson megy végbe. A tokamakokban a nyomást ugyan nem, de a Nap belsejére jellemző hőmérséklet tízszeresét (120 millió Celsius-fokot) tudjuk előállítani.

A Greenwald-korlát az amerikai MIT műszaki egyetem fizikusáról, Martin Greenwaldról kapta nevét. A korabeli kutatók Greenwalddal az élen arra próbáltak rájönni, hogy a plazma mitől válik uralhatatlanná és csapódik a tokamak belső falába. Greenwald a tokamak belső átmérőjéből és a plazma által vezetett áram erősségéből számította ki, hogy mennyi lehet a tokamakba kerülő üzemanyag sűrűségének felső határa. Bár a szakemberek folyamatosan gyanították, hogy az érték pontosítható, ez volt a fúziós kutatás és konstrukció egyik alapja az elmúlt évtizedekben.

A határ pontos értéke a teljesítményen múlik. Ez az ITER esetében durván kétszeres lehet

– mondta Paolo Ricci, a svájci plazmaközpont fizikusa.

Az ITER egy 30 ország részvételével épülő kísérleti fúziós reaktor, amely Franciaország déli részén épül és a tervek szerint leghamarabb 2025-ben állíthat elő plazmát. Az ITER-t ugyan nem áramtermelésre tervezték, de ez a kísérleti reaktor lehet a későbbi kereskedelmi fúziós erőművek előfutára. Az pedig, hogy a vártnál jóval nagyobb teljesítményre lesz képes, alapjában változtatja meg a későbbi DEMO nevű fúziós konstrukciókat, amiket már az új értékekre optimalizálhatnak.

Ricci és csapata a svájci szuperszámítógép-központban a világ egyik legerősebb számítógépén modellezték a plazma működését.

Kiderült, hogy ha több üzemanyagot adunk hozzá, a hűvösebb külső részéből több plazma kerül be a belső magba, mert a plazma turbulensebbé válik.

– magyarázta Ricci.

Egyelőre nem ismert, hogy a nagyobb üzemanyagsűrűség mennyiben emeli a tokamakok teljesítményét, de az igazi jelentősége nem is annyira a leadható energia mennyiségében rejlik, mint abban, hogy megkönnyíti a fúzió elérését és fenntartását. Ez azért fontos, mert a fúziós sikerekről érkező jelentések sokszor félrevezetőek. Nagyszerű, ha a fúzióból kinyert energia meghaladja a plazmába betáplált energiát, de ahhoz, hogy erőműként használhassák, a tokamaknak elektromágnesei, ezek hűtése és egyéb kapcsolódó infrastruktúrák által fogyasztott energiánál is többet kell termelnie. Ettől még távol vagyunk, de ha nagyobb üzemanyagsűrűségnél szerényebb energiát igényel a fúzió, innen jöhet a várt áttörés.

(Interesting Engineering, Live Science, Yahoo News)