Magyar részvétellel rekordot ért el a fenntartható fúziós energiatermelésben az EUROfusion konzorcium: az oxfordi Joint European Torusnál (JET) a berendezésnél hosszan fenntartott fúziós körülményekkel 59 megajoule energiát sikerült felszabadítani, ezzel demonstrálva a fúzióban rejlő lehetőségeket.
„A biztonságos, fenntartható és alacsony szén-dioxid-kibocsátással járó fúziós energiatermelésben rejlő lehetőségek látványos, az elmúlt évek eredményeinek fényében is kiemelkedő példája a ma bejelentett rekord” – olvasható az EUROfusion által kiküldött sajtóközleményben.
De mit is jelent ez pontosan?
Az olyan kísérleti fúziós reaktorok, mint az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor), vagy amilyen a kísérleti berendezés, a JET is,
Míg a paksihoz hasonló reaktorokban atomhasadás történik, a fúziós reaktorban – egyszerűen fogalmazva – egyesülnek az atommagok. Az atomreaktorban egy instabil, radioaktív izotópot nagy sebességű részecskékkel bombáznak (ezek a részecskék általában neutronok), így az atomok felhasadnak kisebb részecskékre. A nagy izotópból két kisebb izotóp jön létre, valamint nagysebességű neutronok, amelyek újabb és újabb nagyobb izotóphoz csapódnak, fenntartva a láncreakciót – ezt nevezzük fissziónak. A fúzió csak extrém nyomás és hő hatására jöhet létre.
Fúzió során két kisebb atom egy nagyobbá egyesül, és ugyanúgy nagysebességű neutron szabadul fel, mint a fissziónál, csak itt nem hasítja az atommagot, továbbá a fúziós reaktor fala befogja a neutronokat és azok energiáját. A fúziós folyamathoz olyan körülményekre lenne szükség, mint amilyenek a mi Napunkban is jelen vannak: óriási hőre, gravitációra és sűrűségre, de mivel a reaktorban nem vagyunk képesek a csillagunkban fellelhető gravitációs nyomást megteremteni, nem hidrogént, hanem annak izotópjait, tríciumot és deutériumot fognak ütköztetni a kutatók.
Ez a fúziós energia lehet a jövő zöld energiaforrása, egyelőre azonban az ITER még csak épül, a JET-hez hasonló kísérleti berendezésekben pedig kísérletezgetnek a plazmafúzióval. A JET azért különleges a többi fúziós berendezéshez képest, mert az ITER „kistestvére” abban az értelemben, hogy – a rézmágnes kivételével – ugyanolyan anyagokból áll, és ugyanolyan üzemanyagot használ, mint amit az ITER fog.
De mit értek el a britek pontosan?
Az EUROfusion konzorcium kutatóinak – 4800 szakértő, diák és munkatárs egész Európából, az Európai Bizottság társfinanszírozásával – rekordmennyiségű, 59 megajoule fúziós energiát sikerült fenntartható körülmények között elérniük a Joint European Torus (JET) berendezésben. A szakértők közé tartoznak az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont kutatói is.
Hogy mit jelent ez az 59 megajoule? A joule (és ezzel a megajoule is) az energia – mint fizikai mennyiségek – mértékegysége, nagyjából a megawattórával (mWh) lehet összehasonlítani. Megadja, hogy mennyi teljesítményt végez a berendezés adott idő alatt. A JET-ben tehát öt másodperc alatt rekordmennyiségű, 59 megajoule fúziós energiát szabadítottak fel a kutatók, amely a kísérlet során átlagosan körülbelül 11 megawatt fúziós teljesítményt – azaz másodpercenként 11 megajoule energiát – ért el fenntartható körülmények között.
A JET a világ legnagyobb, és egyetlen valós fúziós üzemanyaggal üzemelni képes tokamak berendezése, mely az Egyesült Királyság Atomenergia Hatóságának (UKAEA) oxfordi telephelyén üzemel. Itt sikerült megdönteni az 1997-es 21,7 megajoule fúziós rekordot, melynek több mint a kétszeresét sikerült most elérni.
Ezt az 59 megajoule energiát 5 másodpercig sikerült fenntartani – ez nagyjából a JET maximuma, mivel ennyi idő alatt még nem melegszik túl a mágneses mezőt fenntartó rézmágnes.
Nagyon fontos eredmények az első kísérleti fúziós erőműnek
Az eredmény, valamint a hozzá kapcsolódó kísérleti adatok és technológiák meghatározóak a Dél-Franciaországban épülő ITER jövőbeli sikerében is. Ez a kísérleti berendezés egy nemzetközi együttműködés Dél-Korea, az Európai Unió, India, Japán, Kína, Oroszország és az USA között, mely mind méretében, mind fejlettségében túlmutat a JET-en. A tudományos kutatómunka mellett az ITER elsődleges célja a fúziós energiatermelés technológiai megvalósíthatóságának demonstrálása. Az energiatermelés szén-dioxid mentesítése elengedhetetlen az éghajlatváltozás hatásainak csökkentéséhez. A fúzió, mint biztonságos, hatékony, valamint alacsony szén-dioxid kibocsátású energiaforrás hosszú távon jelentős szerepet játszhat ebben a feladatban. Az ehhez vezető út egy fontos lépése a mai bejelentés.
„2009-ben a JET üzemeltetői hoztak egy döntést, és megváltoztatták a tokamak falának anyagát az ITER tokamakfalával megegyezőre” – mondta el a 24.hu-nak Tim Luce, az ITER tudományos és műveleti igazgatóhelyettese. „Ez egyedülálló az egész világon, és pontosan ezért bátor döntés is volt. Maradhattak volna a saját kísérleteiknél, de úgy döntöttek, hogy változtatnak, és az ITER-hez hasonló berendezéssé alakítják a JET-et. Ez azért fontos, mert a friss eredmények két dolgot mondanak el nekünk az ITER-ben előállítandó fúziós energiáról. Az egyik az, hogy két olyan működési forgatókönyvet is találtak, amely megfelelő az ITER két kitűzött céljának egyikére, azaz 500 megawatt fúziós energiát termeljen tízszeres energianyereséggel.” Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy az ITER-t úgy tervezték: tízszeresen térüljön meg a befektetett energia. Azaz 500 megawatt fúziós energia 50 megawatt fűtési teljesítményből termelődjön. Ez lesz az első olyan fúziós kísérlet a történelemben, amely nettó energiát termel.
„Ez egyszerűek tűnik, de egyáltalán nem az. Ha visszanézünk a JET korábbi működésére, eddig azt próbáltuk meg kideríteni, hogy mennyi a maximális teljesítmény, amit ki tudunk sajtolni az eszközből, egy erőművet azonban nem így kell működtetni. Olyasmire van szükségünk, ami sokáig fenntarthatóan működik. Eddig a két eszközt összehasonlítani egymással hasonló volt, mintha egy sprintert akarnánk összemérni egy hosszútávfutóval. Mindketten futnak, de az ITER-nek a JET-hez képest maratont kell teljesítenie.”
Most azonban a JET is átállt a hosszabb távú fúziós célokra, ami azt jelenti, hogy a mostani rekord már az ITER célkitűzéseire is jó fényt vet. Luce szerint nagyon fontos, hogy ezt a működést két forgatókönyv alapján is sikerült fenntartani.
Ez azért fontos, mert az ITER-nek két opciót is mutat a működési célok eléréséhez.
„Furcsán hangozhat, de az egyik legfontosabb dolog a kísérletben az volt, hogy találtak olyan módszereket is, amelyek nem működnek. Az ITER a többi tudományos együttműködéshez, például a CERN-hez képest annyiban más, hogy nemcsak kutatómunkát végzünk majd benne, hanem a kísérleteket nagyon-nagyon hatékonyan kell elvégeznünk. A JET nemcsak egyfajta lehetőséget mutatott meg erre, hanem azt is, hogy milyen utakon juthatunk el idáig, és olyan akadályokon is átlendültek, amelyeken muszáj lett volna nekünk is, ha szeretnénk fenntartható, hatékony fúziót létrehozni. Várjuk a következő kutatási terveket, mert nincs sok időnk.”
A rekordteljesítmény mellett az EUROfusion az önmelegítést is kipróbálta, és sikerrel járt. Ez kritikus a fúziós erőműveknél, hiszen a fúzióban részt vevő héliumatomok a reakció húsz százalékáért, és az ITER fűtőerejének egyharmadáért felelősek. Ha a módszer nem válna be, az ITER működése kerülne veszélybe.
Az EUROfusion harmadik legfontosabb eredménye az ITER vonzatában az volt, hogy bebizonyította: a kezdeti hőmérsékletet trícium és berillium felhasználásával el lehet érni. Mivel a JET olyan anyagokat használ, mint az ITER, az itt elért eredményeket át lehet vinni az ITER működéséhez. A JET gyakorlatilag egy kisebb (bár korántsem kicsi) tudományos próbalaboratóriumaként is működhet a világ első kísérleti fúziós erőművének.
Korábban írtunk arról, hogy minimális csúszások várhatók az ITER projektben a koronavírus-járvány miatt, ezt Tim Luce is meg tudta erősíteni. Jelenleg is folyik egy olyan ütemterv kidolgozása, amely a tagországok számára megfelelő, és az ellátási láncban adódó problémák és a járványügyi helyzet miatt az ITER-en dolgozóknak is tartható. „Van, amikor egyetlen vezetékköteg összeállításához hiányoznak banális alkatrészek” – mondta a kutató. „Ennek ellenére nem kell óriási késésekre számítani, az első plazmát továbbra is ebben az évtizedben szeretnénk elérni a kész erőműben.”
