Saját csillagunkban, a Napban folyamatos fúzió zajlik, ez adja a földi élet számára nélkülözhetetlen energiát, azaz a fényt és a meleget. A több millió fokos hőmérsékleten, óriási sűrűség és brutális gravitáció mellett a csillagban olyan hidrogénfúzió megy végbe, ami során héliumizotópok jönnek létre.
Az így keletkező energia olyan óriási, hogy nem csoda, ha viszonylag hamar eszünkbe jutott, hogy a Földön is le kéne másolni. Ahogy a bolygónk népessége növekszik, egyre nagyobb lesz az energiaigény, azt pedig valószínűleg már senkinek nem kell elmagyarázni, hogy milyen hatással vannak a klímára a jelenleg működő szén- és gázerőművek. Nélkülük pedig csak a kiszámíthatatlan, jelenleg hosszú távon tárolhatatlan megújuló energiára és az ugyan kiszámítható, de mégis némileg veszélyes, és radioaktív hulladékot termelő atomerőművekre hagyatkozhatunk.
Nincs új a nap alatt
A kutatók már 1920-ban kapiskálni kezdték a fúzió módszertanát, 1939-ben pedig Hans Bethe-nek Nobel-díj járt a proton-proton láncreakció leírásáért. 1948-ban készült el egy nagyon kezdetleges prototípusa a fúziós reaktornak az Imperial Egyetemen, 1950-ben pedig megszületett a tokamak nevű reaktortípus ötlete, méghozzá két szovjet tudós, Andrei Sakharov és Igor Tamm fejében.
Ma rengeteg kisebb, tokamak típusú, és másfajta fúziós reaktor is működik, de mindegyik olyan apró, hogy energiahatékonysági szempontból nem is érdemes beszélni róluk: több energiát használunk el ahhoz, hogy a plazmát létrehozzuk, mint amennyit a fúzióval kapunk. A legnagyobb közülük a Nagy-Britanniában található JET, de van az ITER szomszédjában is egy, amit már nyugati fúziós reaktornak hívnak. Vannak más elven működő reaktortípusok is, ilyen például a nyugati sztellarátor, de egyik sem termel még hatékonyan energiát.
Az 1950-es évek óta a technológia rengeteget változott, de a tokamak reaktortípus tartja magát: egy ilyet szerelnek össze Provence-ben, Marseille-től alig egy órányi autóútra, az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor) építési területén. Egy nagy kísérleti reaktor létrehozásának ötlete már az 1980-as években megszületett, amikor Mihail Gorbacsov és Ronald Reagan Genfben kijelentette: a termonukleáris fúziót békés célra, ellenőrzötten kell felhasználni, és nemzetközileg kell összefogni ahhoz, hogy ezt az energiaforrást ki lehessen aknázni.
Mégis, a technológiai fejletlenség és az összefogás teljes hiánya miatt egy nagy kísérleti reaktor megépítésének ötlete csak 1985-ben került komolyan napirendre az Európai Unió, az USA, Oroszország és Japán együttműködésével. Sok politikai huzavona után 2007. október 24-én megalakult az ITER szervezete, és eldőlt, hogy az építési helyszín (egy japán, egy spanyol és egy kanadai versenytársat legyőzve) a francia Cadarache városa mellett lesz. Az ITER 2019-ben nagyjából 70 százalékos készültségen áll, az első plazmakísérleteket 2025-ben, a rendes fúziót 2035-ben akarják elindítani.
Magyar kutatók dolgoznak a reaktoron
„A 2025 biztos határidő, a projekt most már évek óta tartja” – mondta el a 24.hu-nak Kiss Gábor, az egyik magyar gépészmérnök, aki a reaktoron dolgozik.
„Én még 2005-ben kezdtem el az ITER-en dolgozni az MTA Központi Fizikai Kutatóintézetében, és akkor az volt a tendencia, hogy minden évben egy évet csúszott az első plazma dátuma. És ez így ment tíz évig. 2005-től 2015-ig nem került közelebb hozzám a cél” – tette hozzá Bede Ottó, aki a későbbi reaktor-karbantartó robotikáért felelős magyar kutató. „Akkor változott meg a helyzet, amikor francia igazgató került az ITER élére a korábbi japán helyett. Ő nagyon szigorúan veszi ezt az egészet, mindent megtesz, hogy tartható legyen a határidő.”
Kiss Gábor az üzemanyag-bejuttatási rendszer integrálását végzi több másik mérnökkel, korábban egy német kutatóintézetben dolgozott, ahol már az ITER-beli munkára készült fel. Vele, és kollégájával, Bede Ottóval beszélgettünk az MVM által szervezett sajtóúton, miközben bejártuk az ITER épülő óriáskomplexumát.
Az egész terület laikus szemeknek egyébként olyan, mintha nem is egy óriási fúziós reaktort, hanem egy hatalmas plázát vagy tárolóegyüttest építenének, semmi nem utal arra, hogy itt olyan kutatások folynak majd, amik eldönthetik az emberiség jövőjét. Pedig gyakorlatilag ez a helyzet – ha az ITER tényleg úgy működik, ahogy azt az itt dolgozók remélik, akkor
Ha viszont nem fog működni, akkor az egész tudományág megy a kukába
– mondta Kiss Gábor.
A világűr szélsőségeit hozzuk el a Földre
Az ITER ugyanis egy kísérleti kutatóreaktor lesz, nem termel majd energiát, illetve, amit termelne, azt gőz formájában a levegőbe fogják engedik. Azért, mert az energiatermelés először még kiszámíthatatlan lesz (a plazma energiája ugyanis hullámokban érkezik majd), és a megújulók mellett felesleges lenne rákötni a rendszerre még egy ilyen energiaforrást.
A cél egyelőre az, hogy a jelenlegi, kisebb fúziós reaktorok módszertanát átültessék egy olyan reaktorba, aminél több energiát tudnak kinyerni, mint amennyit belefektetnek. A plazma felfűtése ugyanis nem egyszerű feladat: mivel a Földön nem tudjuk olyan sűrűségben létrehozni, mint ahogyan az a Napban természetes módon előfordul, sokkal jobban fel kell hevíteni. 150 millió Celsius-fokra van szükség, ami tízszer forróbb, mint a Nap – mellette pedig a reaktor külső felületét, a „termosz” szélét -269 Celsius-fokra kell hűteni, hogy a szerkezet ne hevüljön túl. A termoszt szakszóval kriosztátnak nevezzük, folyékony nitrogén és hélium fogja biztosítani a világűr hőmérsékletét a mágnesek számára.
Az igazi kihívás az, hogy a fűtésre és hűtésre szánt energiánál többet termeljen a reaktor, hiszen csak ekkor lehet arról beszélni, hogy áramot termel. Az alapvető cél az, hogy az erőműből tízszer annyi energiát tudjanak kisajtolni, mint amennyit beleölnek.
Az atomerőművek atommagok széthasításából nyerik a hőt, amiből aztán áramot termelnek. A fúziós erőműveknél pont fordítva működik, itt két atommag fúziója szolgáltatja az energiát. Csakhogy az atommagok pozitív töltésűek, taszítják egymást, vagyis természetüknél fogva eszük ágában sincs fuzionálni, erre kényszeríteni kell őket. Mivel a tokamakban nem vagyunk képesek a Napban fellelhető gravitációs nyomást és anyagsűrűséget megteremteni, nem hidrogént, hanem annak izotópjait, tríciumot és deutériumot fognak ütköztetni a kutatók. Ezt úgy érik el, hogy addig hevítik a gázt, míg a részecskék mozgása már annyira gyors, hogy azonos töltésük sem képes kitéríteni őket egymás útjából: ehhez kell a 150 millió fok.
A gáz hamar ionizálódik, más néven plazma állapotába kerül. A plazma az anyag negyedik halmazállapota, a mindennapokban is gyakran találkozunk vele: a villám és a sarki fény is plazmából van. A plazmaállapot azt jelenti, hogy a nagy erejű ütközések hatására a negatív töltésű elektronok és a pozitív atommagok elszakadnak egymástól, de nem alkotnak újabb kötéseket, az atommagok és az elektronok külön-külön vannak jelen ugyanazon térben. A fúzió során hélium keletkezik, valamint szabadon cikázó neutronok, és ezek mozgási energiája adja a hőt, amit a reaktor fog termelni.
Csakhogy egy ilyen brutálisan magas hőmérsékletű plazmát valahogy kordában kell tartani, ehhez pedig két dolog szükséges: vákuum, és elképesztő erősségű mágneses mező, ami a töltéssel rendelkező anyagot „megszelídíti”. A mágneses tér a fánk alakú reaktorban összeér saját magával, és ez az úgynevezett mágneses összetartású fúzió nem alkalmas hadászati célokra, így a hidegháború legkeményebb éveiben sem csináltak belőle titkot, a technológia a kezdetektől bárki számára elérhető.
„A fisszió, vagyis a maghasadás a hidegháborúban indult” – magyarázta Kiss Gábor. „Nagyon sok kutatás titokban zajlott. Pontosan ezért nem kell félni attól, hogy egy fúziós reaktorban bármi olyasmi megtörténhet, mint ami Csernobilnál megtörtént: itt nincs titkolózás, az ITER egy publikus projekt, minden adat elérhető a tagországok számára. Van egy-két nagyon szűk terület, ahol nem tudhat mindenről mindegyik tagállam, de nem ez a jellemző.”
Ott sétáltunk, ahol a plazma fog örvényleni
A projekt olyannyira nyilvános, hogy kis túlzással mi is arra sétáltunk a terepen, amerre szerettünk volna, persze szakavatott idegenvezető, és a két magyar mérnök társaságában. Láttuk a gigantikus méretekkel rendelkező összeszerelő üzemet, ami közvetlenül a tokamakhoz csatlakozik, bemehettünk abba az építménybe, ahol a brutálisan nagy mágnestekercseket szerelik össze, amelyek végül majd a plazmát fogják a helyén tartani, vagyis lebegtetni, és ott is jártunk, ahol maga a tokamak fog felépülni: ha már készen lenne, konkrétan a fejünk fölött örvénylett volna a rózsaszín plazma, mi pedig nagyjából 150 millió fokos hőmérsékleten égtünk volna el, miközben pár lépéssel arrébb már a világűr jeges hidege uralkodik.
2025-ben tehát előállítják itt az első plazmát – a dátum azért fix, mert egészen eddig nyitott lesz a tokamak, csak utána zárják le teljesen, és csinálnak benne vákuumot. A kísérleti plazma először csak deutériumból készül, azaz nem lesz radioaktív, és könnyebben található hozzá alapanyag. A tríciummal ugyanis az a legnagyobb probléma, hogy szinte sehol nem található meg a Földön természetes formájában, ezért úgy kell előállítani. Egyelőre nincs olyan módszer, ami hatékony, gyors, nem túl energiaigényes, és nagy mennyiségben is fenntartható. Ez lesz az egyik legnagyobb kihívás a kísérleti reaktor működése során: a kutatók remélik, hogy rájönnek, hogyan lehet a hidrogén ezen instabil izotópját kisajtolni a lítiumból. A fúzióhoz szükséges másik alapanyagot, a deutériumot nehézvízből nyerik ki, amiből bőven akad a bolygónkon.
A cél az, hogy a fúziós erőműveknek legyen helye az energiamixben, és nem az, hogy csakis ebből nyerjük a jövőben az energiát. Az ITER-hez hasonló, működő létesítmények úgynevezett alaperőművek lehetnek, mint a szén- és az atomerőművek, és tökéletesen kiegészíthetik a megújulókból érkező, némileg kiszámíthatatlan és nehezen tárolható energiát. Teszik ezt ráadásul úgy, hogy nem károsak a környezetre, zöld forrásokból fedezhető az energiaellátásuk, és nem termelnek radioaktív hulladékot – illetve, ha mégis, nagyon minimálisat. Olyan megoldást nyújthatnak az energiaéhségre, ami hosszú távú és fenntartható – már ha tényleg működni fog a módszer ilyen nagy méretekben is. Ha nem, akkor, ahogy a magyar kutató fogalmazott: az egész egyszerűen megy a levesbe.
