A legbonyolultabb dolog lesz, amit valaha ember épített

Az utóbbi években egyre többet hallani magfúziós energiával kapcsolatos kutatásokról, plazmával üzemelő erőművek építéséről, pár havonta érkeznek ilyen-olyan hírek, hogy mekkora előrelépések történtek a jövő tiszta és biztonságos energiaforrásának kiaknázása terén, így aki kicsit is érdeklődik az energetika iránt, akár azt is gondolhatná, hogy már a napelemes garázskapun dörömböl az olajlobbit és a Roszatomot kenterbe verő, örök életet és ingyen villanyt ígérő új technológia. Amikor a MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont fiatal tudósai meghívtak, hogy nézzünk körbe a csillebérci kampuszon lévő laborjaikban, ahol különféle fúziós energiával kapcsolatos problémák megoldásán dolgoznak, örömmel mondtunk igent, mivel szerettük volna saját szemünkkel látni, milyen is az, amikor az anyagok negyedik halmazállapotával bűvészkednek a fizikusok.

A csaknem egész naposra nyúló látogatás során a Részecske- és Magfizikai Intézet Plazmafizikai Osztály három fiatal kutatójával beszélgettünk. A szót leginkább Réfy Dániel fizikus, a Nyalábemissziós Spektroszkópia Csoport fiatal kutatója vitte, akitől alapos áttekintést kaptunk a fúziós kutatások hátteréről, jelenlegi állásáról. Mellette jó néhány specifikus részletről Szabolics Tamás szoftverfejlesztő mérnök, a Pellet és Videodiagnosztika Csoport tagja és Palánkai Miklós gépészmérnök, az ITER és Fúziós Diagnosztika Fejlesztések Kutatócsoport tagja, főmérnöke adott tájékoztatást. Az alábbiakban az általuk elmondottak foglaljuk össze, készüljenek, hosszú, nagy ívű utazás lesz a kályhától a csillagok belsejéig.

Mielőtt belevágnánk, fussuk át a legutóbbi fúziós hírt, ami szerint szeptember közepén újra beindították a Wendelstein 7-X névre hallgató sztellarátort, ahol 2015-ben, az első üzemre installálták a magyar kutatók az általuk kifejlesztett videódiagnosztika rendszert, ami az egyik legfontosabb diagnosztika ott most is. Ezen kívül a nyáron a nyalábemissziós spektroszkópiás kutatók is installáltak egy új műszert, úgyhogy most már két magyar diagnosztika működik a greifswaldi berendezésben. (Ha esetleg ebből a bekezdésből nem sokat értett, ne ijedjen meg, a továbbiakban mindent elmagyarázunk.) Az alábbi, pár napja publikált különleges videót a magyar kamerarendszer rögzítette a W 7-X belsejében, ilyesmit nem láttunk még eddig:

Mit látunk? Egyrészt 50 000 fps-sel készült Photron és lassabb EDICAM felvételeket, amik a plazmakisülést mutatják a Wendelstein 7-X-ben. A plazma szélén úgynevezett filamentumok jönnek ki, mialatt a plazma hideg széle világít az elektromágneses sugárzás látható tartományában – mármint a hideg úgy értendő, hogy csak néhány tízezer Celsius-fokos, miközben a plazma belseje meg mondjuk tízmillió fokos. De mivel az már nem látható tartományban sugároz, a széle, ami relatíve hideg, az látható a felvételeken, és az, hogy érdekes, korábban ilyen részletességgel még nem látott plazmaszálak nőnek ki belőle. Ez teljesen meglepte a kutatókat, hogy ilyen nagy filamentumok vannak jelen plazmakisüléskor, hasonlóak a Nap felszínén megfigyelt flerekhez. Mindez a magyar fejlesztésű EDICAM kamerával láthatóvá vált, de azt még nem értik pontosan, hogy mi áll a jelenség mögött.

Látunk Photron kamerával felvett részleteket is (az ultranagy sebességű kamera képes másodpercenként egymillió képkockát is rögzíteni), amik néhány százezred másodpercnyi történést mutatnak (a zajosabb, pixeles esetek). A videó végén például az látható, ahogy kezd összeomlani a plazma lassan. A Wendelstein 7-X-ben összesen pár másodpercig tart jelenleg egy plazmakisülés, ami a videón látható ez ennek a töredéke.

Nincs ingyen ebéd

De hogyan jutottunk el idáig, hogy rejtélyes filamentumokat szemlélünk egy furcsa nevű szerkezetben, abban bízva, hogy még a mi életünkben sikerül kielégíteni az emberiség energiaéhségét? A központi kérdéskör a magfúzió-kutatás és fenntartható fejlődés kapcsolata körül gomolyog. Miről is van szó? Arról, hogy szeretnénk úgy energiát termelni, ahogyan a Nap is teszi. Ez az az energiatermelési típus, aminek az a nagy előnye, hogy nincs hátránya – mármint azon kívül, hogy még nem működik. Végtelen az üzemanyag-tartaléka – emberi léptékkel mérve –, és nem kíséri káros, üvegházhatást okozó gázkibocsátás. Keletkezik ugyan radioaktív hulladék, de annyira kis aktivitású, meg rövid felezési idejű, hogy az lényegesen jobban kezelhető, mint a jelenlegi atomerőművek esetében.

Tény, hogy egyre több ember él a Földön, és az egy főre eső villamosenergia-fogyasztás is nő. Másfelől az átlagos GDP is nő, az energiafogyasztás pedig arányos a GDP növekedésével, látjuk, hogy ezek a jóléti mérőszámok korrelálnak egymással. Az emberiség azon az úton jár, hogy egyre több energiát akar használni, és az energetikának nem feladata ezt megkérdőjelezni vagy filozófiai kérdésekbe bonyolódni – az energetikának az a feladata, hogy ezt az igényt kielégítse. A kérdés az, hogyan lehet energiát termelni. Nos, a baj az, hogy energiát sehogy sem lehet "termelni". Az energiát csak átalakítani lehet. Az energiamegmaradás törvényének egyik alakja úgy szól, hogy bármilyen gép, ami energiát ad le, az valaminek csökkenti az energiáját.

Mit szoktunk megcsapolni? Alapvetően a következő négy forrást tudjuk elég jó hatékonysággal kiaknázni: a víz, a szél, a fosszilis és a nukleáris energiahordozók energiáját. A víz esetében a lezúduló víz helyzeti energiáját, a szélnek a mozgási energiáját használjuk fel turbinák meghajtására. A fosszilisaknál a kémiai kötési energiákkal játszunk: a szénhidrogének kezdeti kötési energiái magasabb szinten vannak, mint az elégetésük során keletkező égéstermékek – a szén-dioxid, a víz – kötési energiái, a különbséggel kályhát lehet fűteni, vagy fosszilis hőerőművet.

Hasad vagy egyesül, ez itt a kérdés

A nukleáris erőművekkel az atommagban rejlő energiát próbáljuk megcsapolni, és ebben két út áll előttünk: a maghasadás és a magfúzió. Aki tanult középiskolában kémiát, fizikát, tudhatja, hogy a hidrogéntől az uránig terjed azon elemek sora, amik többé-kevésbé stabilak és megtalálhatók a természetben, a periódusos rendszerben az összes többi – transzurán – elemnek olyan rövid a felezési ideje, hogy 13,8 milliárd év alatt, amióta vagyunk (az univerzum és benne mi, az emberek), elfogytak. A természetben föllelhető elemek közül a vas a legstabilabb, elvileg minden, ami nála kevésbé stabil, annak atommagjában lévő energiát a mag átalakításával tudjuk hasznosítani.

Ennek egyik útja az, hogy ha maghasadást idézünk elő: ha van egy nagy stabil atommagunk, és egy neutront hozzáadunk, akkor nagyobb, de instabil lesz, aminek következtében kettéhasad, az atommagot alkotó részecskék közti kötési energia felszabadul. A szabaddá váló neutronok további maghasadásokat idéznek elő, láncreakció jön létre, aminek szabályozásával folyamatos energia nyerhető, ezen az elven működnek az atomerőművek. Kiemelkedően nagy előnye az atomenergiának, hogy óriási az energiasűrűsége, tehát az az energia, amit egy darab atommagból ki lehet nyerni, az sokmilliószor több, mint mondjuk amit egy szénatom elégetéséből kapunk. Ebből következik, hogy nagyságrendekkel kevesebb üzemanyagra is van szükség. Hogy az arányt érzékeltessük, vegyünk egy 1 gigawattos szénerőművet, aminek egy millió (1 000 000) tonna szénre van szüksége évente, vele szemben egy 1 gigawattos atomerőműnek tíz (10) tonna üzemanyag kell évente. Ekkora mennyiséget jóval egyszerűbb tárolni is.

Az összes politikai kérdést messziről elkerülve mondhatjuk, hogy az atomerőművek működnek, a maghasadás alapvetően tiszta és fenntartható energiaforrás, noha kétségkívül vannak vele tagadhatatlan problémák is. Az egyik ilyen keveset emlegetett, de nagy probléma, hogy az urán, abban a tempóban, ahogy most használjuk, pár száz éven belül el fog fogyni – csakúgy mint a fosszilis energiahordozók. Akárhogyan is nézzük, rövid távon minden nem megújuló energiaforrás kimerül.

A másik út a nukleáris energiatermelésben az, hogy könnyű és kicsi atommagokat egyesítünk – erről szól a magfúzió. A kutatók a Földön a deutérium–trícium fúziót szeretnék megvalósítani, azért, mert ezt a legegyszerűbb. Van sok másfajta fúziós reakció is, például a Nap is máshogy működik – a csillagokban proton-proton fúzió, meg szén–nitrogén–oxigén-ciklus zajlik – de míg a Napnak van több százmillió meg milliárd éve erre, az emberiségnek nincs. A deutérium–trícium fúzió mellett szól, hogy ezt a legegyszerűbb megvalósítani földi körülmények között.

Mi a deutérium–trícium fúzió alapja? A hidrogén (¹H), a deutérium (²H, D) és a trícium (³H, T) a hidrogén három természetben előforduló izotópja, kémiailag mind hidrogén, de míg a hidrogénatom magja csak egyetlen protont tartalmaz, addig a deutériumé egy protont és egy neutront, a tríciumé meg egy protont és két neutront.

Ha egy deutérium- és egy tríciumatommag találkozik és létrejön a fúzió, akkor az egyesülés során egy héliumatommag és egy neutron keletkezik energia felszabadulása mellett. Ez a recept, amit szeretnének fölhasználni a fúziós erőművekben. Miért gondolják azt a fizikusok, hogy ez működhet? Mert a csillagok tudják, csak föl kell nézni az égre és látható, hogy ez egy működő energiatermelési koncepció, csak le kellene hozni a Földre. Magfúziós reaktort többféleképpen is meg lehet csinálni. A Nap például egy gravitációs meghajtású fúziós reaktor, ami úgy működik, hogy van egy hatalmas gázgömb, ami folyamatosan roskad össze a gravitáció miatt, és a közepén olyan nagy a hőmérséklet és a sűrűség, hogy beindul a fúzió. Ez energiafelszabadulással jár, ami robbantja szét a csillagot – ha a két erő, a gravitáció és az ellene ható szétvető erő, egyensúlyba kerül, akkor lesz egy szép meleget adó, világító gömb az égen. Gyakorlatilag így működnek a csillagok, de itt a Földön nincs annyi hely, hogy egy ilyet beindítsanak, ezért másfajta megközelítést kell alkalmazni.

Mi kell ahhoz, hogy a fúzió bekövetkezzen?

A deutérium és a trícium atommagokban egy-egy proton található, tehát pozitív töltésűek, elektromosan taszítják egymást, nem akarnak fuzionálni – ezt Coulomb-taszításnak hívják egyébként. Ahhoz, hogy ezek az atommagok egyesüljenek, át kell lépniük egymás Coulomb-gátján. (Itt egyébként a kvantummechanikai alagút effektus besegít, nem kell felmenni a Coulomb-gát tetejéig, igazából már lentebb is át tudnak jutni a nukleonok.) Ha sikerül ezt megugrani, akkor az egymáshoz préselt atommagok közt hirtelen létrejön a fúzió, és egy sokkal kedvezőbb energiaállapotba kerülnek, mivel a héliumnak alacsonyabb a kötési energiája. A két állapot közti energia-különbözet a hélium és a neutron mozgási energiája formájában távozik. A gát megugrásához meglehetősen gyorsan kell mozogjanak a deutérium és trícium atommagok, ehhez százmillió Celsius-fokra kell fölhevíteni a gázt. És minden probléma ebből származik.

Na, de mi is az a plazma, amit a fenti videón is látható? Ismert ugye az anyagok három alap halmazállapota: a szilárd, a folyékony és a gáz állapot, amik fűtéssel átvihetők egymásba. Ha elkezdenek hevíteni egy gázt, mi történik? A benne lévő szabad atomok egyre gyorsabban mozognak, egyre gyakrabban, egyre nagyobbakat ütköznek, és végül, ha nagyobb az ütközés energiája, mint az elektronok kötés energiája, akkor az atommagok körül keringő elektronok leszakadnak. Így ebben a halmazállapotban negatív töltésű elektronok és pozitív töltésű ionok alkotják a kívülről semleges töltést mutató anyagot, amit ebben az állapotában plazmának hívnak.

Ha egy ilyen százmillió fokos anyagot belerakunk mondjuk egy acél tartályba, nem történnek jó dolgok. Amint érintkezik az edény falával, az edény fala elpárolog, a plazma meg lehűl – egy jól működő fúziós reaktor esetében viszont a folyamatosan meleg plazma, meg egyben maradt tartály a kívánatos. Ezt a kardinális problémát tehát valahogy át kell hidalni. És itt jön a fizika, hogy megmentse a napot. Tudniillik az elektromosan töltött részecskék mágneses térbe kerülve a Lorenz-erő hatására elkezdenek rendezetten, a mágneses erővonalak körül spirál pályán mozogni, míg el nem érik a mágneses tér határát. Ha valahogy olyan mágneses teret lehetne létrehozni, ami saját farkába harap, akkor a részecskék nem fognak lelépni róla – ez a mágneses plazmaösszetartás alapgondolata.

Az a terv tehát, hogy a plazmát 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. A lineáris mágneselrendezéssel – azaz ha csak egymás mellé teszünk sok tekercset – az a gond, hogy az erőtér végén kilépnek belőle a részecskék. Ezt úgynevezett mágneses tüköreffektussal lehet csökkenteni, de bizonyos szögek mentén így is nagy a kiszóródási veszteség, ilyen módon nem lehet gazdaságos energetikai reaktort építeni. Mind a szovjet, mind az amerikai tudósok előálltak olyan reaktor koncepcióval, amelyben az alap ötlet a mágneses erőtér önmagába zárása volt, azaz összehajtották a henger két végét. Így születtek az úgynevezett toroidális mágneses összetartású mágneses berendezések. Az egyik fajta, jelenleg legelterjedtebb kísérleti szerkezet a tokamak, ami orosz mozaikszó és annyit tesz, hogy “toroidális kamra mágneses tekercsekkel” (тороидальная камера с магнитными катушками, toroidalnaja kamera sz magnyitnimi katuskami). Kifejlesztése a Kurchatov Intézetben dolgozó Igor Jevgenyevics Tamm és Andrej Dimitrijevics Szaharov nevéhez fűződik. A másik, jóval bonyolultabb felépítésű szerkezet a sztellarátor, amit az amerikai Lyman Spitzer talált fel 1951-ben. Rendkívül bonyolult geometriája miatt irtó nehéz megépíteni, mostanában jutottak el odáig a szuperszámítógépek, hogy kellő számítási kapacitás áll rendelkezésre ezek megtervezéséhez. (Ezért elterjedtebbek a tokamakok.)

Menjünk kicsit abba bele, hogy mi a különbség a tokamak és a sztellarátor között, túl azon, hogy az egyik úgy hangzik, mintha valami aranyos szőrmés mókusfaj lenne Japánban, a másik meg mint egy bolygópusztító szuperfegyver egy hatvanas évekbeli sci-fiben. A tokamak típusú kísérleti fúziós erőművekben egy fánkszerű vákuumkamrát vesznek körbe az elektromágneses tekercsek gyűrűi, az így létrehozott mágneses tér azonban még nem lenne elegendő a stabil plazmaösszetartáshoz, mivel belül erősebb a mágneses tér, ami töltésszétválást okoz a plazmában. Ennek a kiküszöbölésére meg is kell tekerni a mágneses teret, aminek az egyik módja, hogy áramot hajtunk a plazmában egy, a fánk közepébe szúrt tekerccsel, így előáll a kívánatos, saját farkába harapó mágneses tér szerkezet. Mindezt még úgynevezett vertikális tértekercsekkel is kiegészítik, amikkel a plazma formáját tudják a kívánt mértékben befolyásolni az egyes kísérletekhez. Ezen túlmenően van sokfajta kísérleti tokamak-koncepció, eltérő kamraformákkal, eltérő plazmaalakkal, a laposabb, fánkszerűtől a majdnem teljesen gömb alakúig.

A sztellarátor esetében első ránézésre föltűnhet, hogy hiányzik a középső, szolenoid mágneses tekercs, mivel a tokamaktól eltérő módon nem a plazmában hajtott árammal, hanem furcsa alakú, bonyolult geometriájú külső tekercsekkel érik el a kívánt plazmatekeredést. A Wendelstein 7-X-nek is elképesztően bonyolult formájúak az elektromágnesei, ennek a nyakatekert térgeometriának a kiszámolásához, megtervezéséhez, lemodellezéséhez és legyártásához nagyban hozzájárultak az utóbbi idők nagy számítási kapacitású számítógépei. (Az alábbi time-lapse videón a Wendelstein 7-X összeszerelése látható.)

De akár tokamak, akár sztellarátor típusú fúziós szerkezetről van szó, egyelőre még ott tartanak a kutatók, hogy szeretnék megérteni, hogy mi, miért történik ezekben, hogy például mik azok a filamentumok, kicsi struktúrák, amiket a fenti videóban is megfigyelhetünk. Jelenleg pár másodpercre tudnak létrehozni stabil plazmakisülést, és a kutatások kardinális része ennek alapos megfigyelése, hogy belelássanak a plazma lelkivilágába. És részben itt csatlakoznak be a magyarok a nemzetközi fúziósenergia-kutatásokba, de erről majd később.

Száz lítiumbányát, ezeret!

Miért jó a fúziós energia? Mert fenntartható, mivel gyakorlatilag korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre hozzá az üzemanyag, legalábbis emberi léptékkel. A deutérium mindenhol megtalálható a Földön, nagyjából minden háromezredik vízmolekula tartalmaz deutériumot, azaz félnehézvíz (tehát nem H₂O, hanem HDO), aminek kinyerésére van ipari technológia. A trícium radioaktív, 12,3 év a felezési ideje, ezért a természetben csak nyomokban található, például az atmoszférában. Ha mindet összeszednénk a Földön, az pár kilogramm lenne csak, egy működő fúziós reaktornak a számítások szerint évente körülbelül száz kilogrammra lenne szüksége, egyszóval tríciumot csinálni kell. Ezt a csinálást tenyésztésnek hívják (angolul: breeding). Emlékezzünk: a deutérium–trícium-fúzió során neutron is szabadul fel, ha azzal egy lítium atomot bombázunk, akkor az olyan magreakciót vált ki, aminek eredményeképp egy hélium és egy trícium mag keletkezik. A lítiumnak két izotópja van, ami erre a tenyésztésre alkalmas, ezt az eljárást kell tehát kidolgozni, hogy legyen elegendő trícium, ezen ugyancsak dolgoznak még a kutatók. A lényeg: indirekte a lítium a másik üzemanyag a deutérium mellett. Ez az alkálifém számos helyen megtalálható a földkéregben. A számítások szerint egy évre egy 1 gigawattos fúziós erőműblokk – ami két paksi blokk mondjuk – üzemeltetéséhez körülbelül 100 kilogramm lítium szükséges. Csak összehasonlításképp: egy Tesla elektromos autóban 540 kilogrammnyi lítium-ion akkumulátor van – Magyarország éves villamosenergia-szükségletét, ami kb. 5 gigawatt állandó teljesítménnyel fedezhető, egy Tesla autó lítiumaksijából fedezni lehetne. Ha most a Földön az összes erőművet átállítanánk fúziósra, akkor nagyjából duplázni kellene a jelenlegi lítium-kitermelést, ami ipari léptékben szintén megoldható, egyáltalán nem irreális elképzelés.

Miért szerethető még ezen kívül a fúziós energia? A fúziós üzemanyag eloszlása a Földön nem olyan egyenetlen, mint mondjuk a kőolajé. A háborúk jelentős része a fosszilis energiahordozók fölötti ellenőrzésért folyik, ha viszont mindenkinek van birtokában energiahordozó, akkor ezen konfliktusok megszűnnek. 

Nincs üvegházhatású gáz kibocsátás sem, és biztonságos is. Ez utóbbi borzasztó egyszerű, hogy miért: mivel a fúziós folyamat fenntartásához fűteni kell a plazmát, ha bármi üzemzavar támad, akkor egyszerűen leáll a fúzió, a reaktor nem tud megszaladni. A pár grammnyi üzemanyag, ami épp a reaktorban kering - merthogy mindössze ennyi van benne egyszerre -, nem okozna környezeti katasztrófát még akkor se, ha netalán kijutna valahogy a szabadba. (Ez utóbbihoz amúgy a reaktor összes védőfalának sérülnie kellene.) Ráadásul a trícium csak kis áthatoló képességű béta sugárzást bocsát ki, így legfeljebb szupernehéz víz formájában (T₂O) közvetlenül belélegezve, lenyelve vagy bőrön át felszívódva okozhat egészségügyi problémát az emberi szervezetben, de azt is csak rövid ideig, mert mint a kémiailag azonosnak tekinthető víz, pár napon belül ki is ürül, nem halmozódik fel a szervezetben. Tehát az elképzelhető legrosszabb baleseti szcenárió mellett sem jelent veszélyt egy fúziós erőmű üzemanyaga.

Ez mind nagyon szép, de a legnagyobb probléma, hogy egyelőre nem sikerült pozitív energiamérleget elérni az eddigi kísérletek során. Fúziót most is lehet csinálni, nem ez a gond. Az a kérdés, hogy nagyobb teljesítmény tud-e kijönni az erőműből, mint amennyit betáplálnak. Ez a legfontosabb kérdéskör, aminek középpontjában az energiasokszorosítási tényező (Q) áll, ami a fúziós teljesítmény és a fűtési teljesítmény hányadosa. Ha ez 1, akkor azt jelenti, hogy a fúziós erőmű annyi energiát termel, mint amennyit a fűtésébe fektetünk (a plazma fűtésére többféle módszer létezik, leggyakoribb a betáplált gáz rádiófrekvenciás gerjesztése, körülbelül olyan elven, ahogy a konyhai mikrohullámú sütőkben melegítjük az ételt). A világrekord eddig az 1997-es JET-es deutérium–trícium-kampányban volt: Q=0,64, tehát a befektetett energia 64 százaléka jelent meg fúziós teljesítményben. Az energiatermeléshez, tehát ahhoz, hogy ebből áram jusson a fogyasztókhoz Q>20 kell. Nem elég a Q=1, mert akkor még csak csordogál. A reaktorban keletkező hőt ki is kell nyerni, árammá alakítani, majd elszállítani a fogyasztókhoz, ami egy halom veszteséget jelent.

Van még egy hatalmas gond. Mégpedig az, hogy a reaktorban a fal egyes részei hatalmas hőterhelésnek lesznek kitéve. A baj az, hogy valahol hozzá kell érnie a plazmának a falhoz, ez elkerülhetetlennek látszik. Anyagtechnológiai szempontból a tokamakoknál a legkritikusabb rész az úgynevezett divertor, a kamra alja. Itt 10 megawatt/négyzetméter a hőterhelés, ami annyi, mint ami az űrből visszatérő űrsiklóknak az orrát érte – hét percig, míg a légkörbe lépve lelassult. A fúziós reaktor kamrájában a falnak viszont folyamatosan, 24 órában, az év 365 napján kellene ezt a hőterhelést állni. Összességében most az látszik, hogy az anyagválasztás és a plazma kontrollálása az elsőrendű megoldandó feladatok, különben nem lesz soha fúziós erőmű.

Hol tart most a kutatás?

A világban több tucat kutatóintézet foglalkozik fúziós energiával, főleg Európában, de az Egyesült Államokban és Ázsiában is. 35-40 olyan mágneses összetartású plazmakísérlet van, amilyenekben a magyar kutatók is részt vesznek. Nézzük az európai fúziós színtér fő csomópontjait: a MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak) és a JET (Joint European Tokamak) az Egyesült Királyságban működik, az ASDEX Upgrade (Axially Symmetric Divertor Experiment) Bajorországban, Lausanneban van a TCV (Tokamak à Configuration Variable), Greifswaldban beindult a Wendelstein 7-X, Lisszabonban az ISTTOK (Instituto Superior Técnico Tokamak), Prágában a COMPASS (Institute of Plasma Physics of the Czech Academy of Sciences), Madridban a TJ-II (Laboratorio Nacional de Fusión), a WEST (Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) Franciaországban, a PSI-2 Jülichban, a Magnum-PSI pedig Eindhovenben. Az angliai JET a világ jelenleg működő legnagyobb tokamak fúziós berendezése, a Wendelstein 7-X meg a legnagyobb sztellarátor. Mondhatjuk, hogy Európában koncentrálódik a világ fúziós kutatásának java, a nagy kísérletek itt vannak. Azért van ilyen sok kísérleti berendezés, mert mindenhol egy kicsit máson dolgoznak, más részproblémára koncentrál az adott kutatás, hogy aztán átvehessék egymás eredményeit. Emellett mindenki a Franciaországban épülő ITER-re is koncentrál, hogy az végül jól működjön.

A kutatás-fejlesztésnek ebben a fázisában komoly szerepe van a diagnosztikának. A plazmát nemcsak összetartani nehéz, de megmérni is, nem lehet bedugni a hőmérőt, mert elpárolog, szofisztikáltabb módszerekre van szükség, hogy bármit is lehessen mondani a plazmáról. Mivel az imént felsorolt berendezések mind kísérleti berendezések, azt jelenti, hogy amit csak lehet, megpróbálnak megmérni, hogy meg tudják mondani, mit csinál a plazma. Ezért ezek a berendezések még tele vannak műszerekkel, mint az autógyártók tesztautói.

A rögös út végén azért remélhetőleg ott lesz majd az olcsón áramot termelő fúziós erőmű, aminek biztonságos működtetéséhez már minimális diagnosztika kell, ugyanúgy, ahogy a szériaautókban is már csak 3-4 műszer jelzi a sofőrnek, hogy miképp teljesít a motor. De addig is körülbelül száz plazmadiagnosztika van a berendezések köré telepítve, a legutolsó paramétert is rögzítik, próbálnak mindent mérni, az elektromágneses hullámokat, mindenfajta sugárzást, 0-tól 14 MeV-ig, mágneses hurkokat, a fizikának az egész eszköztára be van vetve, ami csak van, hogy mindent megtudjanak a plazmáról.

Már épül az ITER

Az ITER minden irányban kétszer akkora lesz mint a JET. 840 köbméter plazma fér el benne, 360 tonna szupravezető mágnes, 23 ezer tonna acél (ez 3-szor annyi mint az Eiffel-torony) alkotja majd, az összköltsége pedig 15 milliárd euró/10 év, ami kb. 2 euró/eu állampolgár/év. A cél az, hogy 50 megawatt fűtési teljesítménnyel 500 megawatt fúziós teljesítményt produkáljanak, azaz tízszer annyit, mint amit beleraknak. Ez még nem energiatermelő reaktor lesz, hanem ahogy a nevéből is kiderül – International Thermonuclear Experimental Reactor – kísérleti eszköz, ami nem fog a hálózatra termelni. Az ITER-rel szeretnék demonstrálni, hogy lehet fúzióval villamos energiát termelni ipari méretben. És itt lesznek először olyan neutronfluxusok, amikkel tesztelni lehet majd a már említett lítiumos tríciumtenyésztést is.

Az ITER nemzetközi együttműködésben épül, hét partner vesz benne részt: az Európai Unió, az USA, Kína, Oroszország, Dél-korea, Japán és India. A fejlett országok mind benne vannak, és nem közvetlenül pénzzel járulnak hozzá, hanem mindenki pályázati úton nyerte el különféle szerkezeti elemek gyártását. Például a szupravezető tekercsek szupravezetőjének a tokozását az oroszok készítik, a tekercselést az olaszok, a vákuumkamra egyes szegmenseit az indiaiak, olaszok és koreaiak gyártják. A világ legnagyobb méretű kutatás-fejlesztési projektje ez, ami a tervek szerint 30 évig fog üzemelni. A sok partnerből kifolyólag rengeteg gyártás-sztenderdizálási problémát is meg kell oldani, de ez egyben előnyére is válik hosszú távon az együttműködő feleknek. A következő drónvideó segítségével eléggé lenyűgöző képet alkothatunk arról, hogy mekkora vállalkozás is az ITER építése:

Nem hagyhatjuk említés nélkül, hogy az ITER-ben már szupravezető tekercsek lesznek, ami azt jelenti, hogy a kriosztáton belül -270 Celsius-fokra lesznek hűtve, azért hogy szupravezető képességüket ki lehessen használni (azaz ellenállás nélkül lehet áramot keringetni bennük). A JET például nem egy szupravezető tokamak, ezért egy plazmakisüléshez több száz megawatt teljesítményt kell betáplálni a berendezésbe, amiből csak 50 a fűtés, a többi az elektromágnesekbe megy hajtani az áramot. És azért csak pár másodperc a plazma, mert elkezdenek melegedni a JET mágnesei, és egy idő után le kell kapcsolni, hogy hűljenek. Az ITER-ben tehát szupravezető mágnesek dolgoznak majd -270 fokon, miközben öt méterre tőlük ott lesz a százmillió fokos plazma. Ilyen kis távolságon belül ilyen irtózatos hőmérsékletkülönbség nemhogy a Földön nincs, de az univerzumban se. A természet ilyet nem művel, a csillagok belsejében ugyan több tízmillió fok van, és az űrben -270, de ez a két véglet millió kilométeres távolságban van egymástól. Az ITER-ben néhány méter választja majd el a két extrém hőmérsékletű pontot. A mérnököknek ez hatalmas kihívás.

Mi kerüljön hát a kamra belső falára, hogy a 10 megawatt/négyzetméter hőterheléstől ne menjen tönkre? Két elvárás van. Az egyik, hogy minél nagyobb legyen az olvadáspontja. Az elemek közül a volfrám olvadáspontja a legmagasabb, több mint 3400 fok. A legkritikusabb rész - a kamra alja és az úgynevezett divertor – tehát ebből készül, szénszálas kompozitból készülő falelemekre párolják fel vékony rétegben a volfrámot. A nagy rendszámú, nehéz elemekkel – mint amilyen a volfrám is – azonban van némi gond: ha bekerülnek a plazmába, akkor nagyon gyorsan lesugározzák, lecsökkentik a plazma energiáját. Tehát a fal többi részére valami alacsonyabb rendszámú elem kellene, ami kellően hőálló is egyben. Ezen kritériumok alapján esett a választás a berilliumra, a lítium szomszédjára. Mivel ennek az alkáliföldfémnek négyes a rendszáma, nem zavar be különösebben a plazma állapotába, viszont akad hátulütője is az alkalmazásának: vegyületei meglehetősen toxikusak, ennek megfelően rendkívül elővigyázatosan, szigorú biztonsági előírások betartásával kell kezelni. A JET-ben 2011 óta tesztelik amúgy ezt a kombinációt: a divertor volfrám-, a vákuumkamra fala pedig berilliumbevonatú.

A berillium és a felaktiválódott belső tér miatt minden műveletet távvezérléssel, húszméteres robotkarokkal kell elvégezni a vákuumkamrában. A kamrába két oldalról vezetnek be egy-egy sokszorosan csuklós robotkart, az egyiken vannak a speciális, egyedileg gyártott szerelő szerszámok, a másikon meg a szükséges felszerelések, alkatrészek. A szerelést teljesen távvezérlésel, force feedbackes kontrollerekkel, végzik a mérnökök, ha megnézünk egy videót ami erről a munkáról készült, olyan, mintha valami robotszörnyes sci-fit néznénk.

Magyarok, térdig plazmában

Az MTA Wigner FK plazmafizikai osztályán a következőkkel foglalkoznak a fizikusok, mérnökök: nyalábemissziós spektroszkópiával, plazmadiagnosztikával, pelletbelövő-fejlesztéssel, intelligens kamerarendszer fejlesztésével és az ITER-hez kapcsolódó mérnöki tevékenységgel.

A nyalábemissziós spektroszkópia kérdésköre annak kiderítésére irányul, hogy miképp és miért viselkedik a plazma széle úgy , ahogy. Az ötlet az volt, hogy ennek kiderítésére létrehoznak egy gyorsított lítiumnyalábot, ehhez ki is fejlesztettek egy ionnyalábágyút, ami úgy működik, hogy egy fűtött ionforrás – egy kis lítiumkorong – felületéből nagyfeszültséggel, ionoptikával kihúzzák, felgyorsítják és fókuszálják az ionokat. Az ionnyalábot ezután semlegesítjük (nátriumgőzön vezetik keresztül), hogy szépen be tudják vezetni a plazmába, ahol a plazma ionizált részecskéi elkezdik gerjeszteni. Amikor a felgerjesztett energiaállapotú lítium visszaesik az alapállapotba, akkor kisugároz egy fotont, azaz a nyaláb világítani kezd. Ezt az általuk fejlesztett, 2,5 millió kép/másodperces felvételre is képes gyorskamera rendszerrel meg tudják figyelni.

Az EDICAM intelligens kamerarendszert a hosszabb plazmakisülések megfigyelésére fejlesztették ki. A lényege, hogy például a Wendelstein 7-X-ben lesznek simán félórás kisülések is. Ezeket tíz nagy sebességű digitális kamera filmezi. Még kis felbontás esetén is elképesztő adatmennyiséget, kameránként 1,6 terabájtnyi információt kellene tárolni, kezelni és feldolgozni. Ekkora mozgóképtömegben eseményeket megkeresni, elemezni szinte képtelenség. Mi a magyar fejlesztés lényege? Lassabb felvétel készül a plazma megfigyelt területének egészéről, és ha azt érzékeli a kamera, hogy a képmező valamely részén valami történik, akkor az érzékelőlapnak azon a szegmensén beindul az ultranagy sebességű képrögzítés – afféle kép a képben módon. Ha valami nem kívánatos fejleményt érzékel a kamera, akkor a sztellarátor kontrollrendszerének tud riasztást is küldeni, hogy állj. Mindezen túl kompaktnak és a rendkívül bonyolult fúziós szerkezethez illeszkedőnek is kell lennie a rendszernek, aminek a kritikus pontokon, azaz a vákuumkamra falánál még a hatalmas hőterhelést, neutronsugárzást, nagyon erős mágneses teret is bírnia kell.

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban dolgoznak még egy meglehetősen specifikus fizikai problémán, a pelletbelövőn is. Ez egy olyan szerkezet, ami a jelenlegi tervek szerint biztosítja az üzemanyag-utánpótlást, azaz bejuttatja a reaktortérbe a deutérium-trícium keveréket. Az alap probléma az, hogy a forró plazma közepébe juttatni, csak úgy befújni a fúzióhoz szükséges üzemanyagot gyakorlatilag lehetetlen. Ennek megoldására dolgozták ki a következő módszert: 5 Kelvinre lehűtött, fagyasztott deutériumból készült pelletet - apró, sörétszerű jéggolyócskát - lőnek nagy, akár 3600 km/órás sebességgel a plazmába. A fejlesztéshez kapcsolódóan kidolgozták az eszköz diagnosztikáját is, azaz meg tudják figyelni, hogy miképp viselkedik a belőtt pellet a plazmában, eljut-e oda ahová szeretnék és aztán hogyan oszlik el ott az anyag – természetesen ehhez is a gyorskamerarendszert használják.

Végül, de nem utolsósorban nézzük, hogy mik is az ITER-hez kapcsolódó munkák. A legtöbb wigneres fúziós mérnök ezen a területen, az ITER és fúziós diagnosztikai fejlesztések kutatócsoportban dolgozik. Itt négy fő projekten belül zajlanak a munkák:

1. A Tokamak Services for Diagnostics mérnökei azon dolgoznak, hogy az ITER vákuumkamrájába telepített diagnosztikák jelét valahogy a külvilágba kijuttassák - wi-fi, vagy bluetooth ugye nem nagyon jöhet szóba az extrém, közel sem barátságos körülmények miatt. Kábelezéssel lesz tehát megoldva, meg is nyerték az EU házi energiaügynökségének, a Fusion for Energy-nek ezeknek a speciális elektromos kábeleknek a tesztelésére kiírt pályázatát.
2. Tríciumszaporító tesztkazetták fejlesztése. Az ITER egyik feladata, hogy megmutassák a kutatók, hogy a korábban említett tríciumtenyésztés a gyakorlatban is működhet. Erre hat koncepciót dolgoztak ki eddig, amiből kettő európai uniós, és mi az egyikben részt veszünk, a mechanikai modellezéssel.
3. Bolométer kamera fejlesztése. A bolométer egy relatíve egyszerű szerkezet (persze hogy nem az), ami a plazma egy adott kis szegmensét monitorozva meg tudja mérni, hogy mekkora az ott mérhető teljesítmény. Ha ilyen detektorokkal telepakolják a vákuumkamra belsejét, akkor valós időben meg lehet mérni a plazmában a teljesítményeloszlást, ami egy alapvető diagnosztikai eszköz egy fúziós-reaktor üzemeltetéséhez, vezérléséhez. A magyarok azt kutatják, hogy mi módon alakítsák ki az elrendezésüket, hogy az egyes detektorok látómezeje összességében lefedje a teljes plazmát, legyen bármilyen alakú is az.
4. International Fusion Material Irradiation Facility - DEMO Oriented Neutron Source (IFMIF-DONES). A projekt célja, hogy adatokat szolgáltasson a mérnökök számára az első demonstrációs fúziós erőmű, a DEMO tervezéséhez. A magyar mérnökök 3D modellezéssel és analizálással járulnak hozzá a megvalósításhoz. Az ebben résztvevők dolgoznak azon, hogy 2050-re mindenképp üzemeljen a már említett DEMO amely egy demonstrációs céllal, de ipari léptékben termelő fúziós erőmű, ez ugyanis az Európai Bizottság kérése.

Kicsit nézzük meg jobban az DEMO szerepét. A 2050-re előirányzott fúziós reaktor még rendkívül drága lesz, de ha a koncepció működőképesnek bizonyul, akkor ráharapnak az energetikai vállalatok, és a prototípustól a sorozatgyártásban készülő berendezésekig tartó úton radikálisan csökkenni fog a technológia költsége. Az első fúziós reaktor hálózatra termelt árama annyira drága lenne nyilván, hogy senki nem veszi meg, nem is ezzel kell számolni. Azonban ha beindul a technológia terjedése, egyre több mérnök, egyre több gyártó, egyre hatékonyabb megoldásokkal rukkol elő, annak vége az árzuhanás lesz. Azt kell megnézni, hogy az első száz fúziós reaktor átlagos ára plusz az üzemeltetés költsége leosztva a megtermelt energia árával hogyan alakul. A becslések szerint ez 3-9 eurócent/kWh között lesz. Összehasonlítva: Paks 3 eurócent/kWh áron termel, a napelemek pedig 9 eurócent/kWh áron, amiből úgy látszik, hogy a fúziós energia versenyképes lehet. Ezért folyik az egész fúziós kutatás, amiben a sokadik legfontosabb kérdés, hogy mennyi lesz egy reaktor rendelkezésre állási ideje. A lényeg, hogy minél jobban bírja a folyamatos üzemet, és ezzel visszatértünk oda, hogy miből legyen a fal, milyen anyagtechnológiai fejlesztésekre van még szükség, illetve sikerül-e olyan plazmát előállítani, ami a nagy energiájú hő- és neutronsugárzásával nem teszi tönkre a falat. Mindennek kutatása, modellezése folyik majd az IFMIF-DONES keretein belül, az intézet felépítésért a spanyolok és a horvátok versengenek.

Min múlik a siker? Egy sor fizikai és számtalan mérnöki problémával állunk szemben, mondjuk 20-80 százalék arányban – mondhatjuk azt is, hogy 

Jelenleg olyan nagy a még kidolgozásra váró kérdések halmaza, hogy az is kritikus kérdés, hogy lesz-e a közeljövőben elég műszaki végzettségű ember, aki hajlandó ezeken dolgozni majd. Nagy szavak, de az emberiség érdeke, hogy az okos középiskolások ne csak jogásznak, bankárnak, meg kommunikációs szakembernek tanuljanak, hanem sokan válasszák a természettudományos pályát, a nagyon tehetségesek meg menjenek fúziót kutatni, de legalábbis tanuljanak mérnöknek meg fizikusnak. Karrierlehetőség tehát bőven van: fizikusok százainak, mérnökök, technikusok ezreinek munkájára van most és lesz a következő években szükség, akik nem valamelyik autógyárban terveznek majd műszerfalat, hanem a Wignerben reaktorfalat.

A Wigner Fizikai Kutatóintézetben folyó fúziós kutatásokról további naprakész információk szerezhetők a magyar fúziós közösség és a hivatalos MTA honlapról, valamint a közösségi médiából:

• magfuzio.hu
• wigner.mta.hu
• google+/magfuziodothu
• facebook/magfuzio
• twitter/@magfuziohu
• tumblr/magfuziohu
• youtube/magfuziodothu