Hungary

Az atommagfúzió két könnyű atommagot egyesít egy nehezebb atommaggá. Az atommagfúzió, vagy a könnyű elemek termonukleáris reakciói tipikusan a Napban és más csillagokban lejátszódó folyamatok. Valóban, a Napban minden másodpercben 657 millió tonna hidrogén alakul 653 millió tonna héliummá. A 4 millió tonna különbség sugárzássá alakul, tulajdonképpen ezért süt a Nap. A rendkívül magas hőmérséklet és nyomás erősen ionizált anyagot, plazmát hoz létre, amelyet a gravitációs erő tart egyben.

A viszonylag nagy energiatermeléssel (27,7MeV) járó fúziós reakció során négy proton egy héliumatommagot (alfa-részecskét) alakít ki. Mivel itt hidrogénizotópok egyesüléséről van szó, és gyakorlatilag a hidrogén mindehol jelen van körülöttünk, kézenfekvő és nagyon vonzó az ötlet, hogy termeljünk energiát hidrogénfúzióval: gyakorlatilag kifogyhatatlan energiaforrást biztosíthatna ez a jövő generációk számára.

Azonban a magfúziót nem egyszerű a Földön létrehozni. Nem szabad elfelejteni, hogy irtózatos hőmérséklet, általában százmillió kelvin körüli, szükséges hozzá. Még ha létre is hozzuk a plazmát, az egybentartása egyáltalán nem magától értetődő.

Az alábbiakban felsoroljuk azokat a fúziós reakciókat, amelyeket a gyakorlatban is lehetne alkalmazni.

D + D T + H + 4.04 MeV
D + D 3He + n+ 3.27 MeV
D + T 4He + n + 17.58 MeV
D + 3He 4He + p + 18.7 MeV
T + T 4He + 2n + 11.3 MeV
H + 6Li 4He + 3He + 3.9 MeV
H + 11B 3(4He) + 8.68 MeV
D + 6Li 2(4He) + 22.3 MeV

Ahhoz hogy a fúziós reakció beinduljon, le kell győzni az atommagok között ható Coulomb-taszítást. Ezért a résztvevőknek nagy kezdeti mozgási energiával (néhány keV-től a néhány száz keV-ig) kell rendelkezniük (később majd beszélünk egy másik lehetőségről is, ahol a fúzió alacsony hőmérsékleten is létrejöhet, amelyet mezon-katalizált fúziónak nevezünk). Könnyű részecskéket egyszerű ilyen energiára gyorsítani. Azonban az ehhez szükséges gyorsítóberendezéshez felhasznált energia messze meghaladja azt, amelyet a fúzióval termelni tudunk. Sokkal célravezetőbb egy másfajta megközelítés: a kölcsönható részecskék mozgási energiájukat a gáz magas hőmérséklete révén is megszerezhetik. Tíz- és százmillió kelvin hőmérsékleten az elektronok leszakadnak az atomokról, tehát a reagensek forró plazmaként vannak jelen. Ezért beszélünk "termonukleáris" reakciókról.

A legnagyobb technikai probléma a nagy hőmérséklet és nyomás biztosítása az ionizált gázban, és a plazma egyben tartása elegendően hosszú ideig ahhoz, hogy beinduljon a fúzió és az energiatermelés. Amint ez megtörténik a folyamat friss üzemanyag betáplálással önfenntartóvá válik, és a folytonos energiatermelés megindul.

A termonukleáris reakciókban felszabaduló energiához szükséges feltételeket az úgynevezett Lawson-kritérium adja meg, amelynek értelmében a plazmában lévő atommagok sűrűségének és plazma együttmaradási idejének szorzata a megfelelő begyújtási hőmérsékleten egy bizonyos küszöbértéket meg kell haladjon. Például a D-T fúzió esetén:

neτE ≥ 1.5 × 1020 s/m3

A megkövetelt magas hőmérséklet miatt a plazma nem érintkezhet a tartály falával. Ezért különleges technikákat kell kidolgozni a plazma egybentartására.

A plazma egybentartására három módszert lehet használni: gravitációs, mágneses és tehetetlenségi. A csillagokban a gravitációs tér hozza létre a megfelelő nagy nyomást. Azonban ezt a Földön nem tudjuk utánozni. Ehelyett mágneses térrel csapdába lehet zárni a plazmát (mágneses módszer), vagy hidrogénpelletet (fagyasztott anyagdarabka) össze lehet nyomni erős lézer- vagy ionnyalábbal (tehetetlenségi módszer).

A mágneses módszernél, ahol a részecskék sűrűsége 1020/m3-nél nagyobb, a Lawson-kritérium által megszabott egybentartási időnek 1 másodpercnél hosszabbnak kell lennie. A tehetetlenségi módszer esetén a tipikus plazmasűrűség ≈1031/m3, így az egybentartási időnek is csak 10-11 másodperc körülinek kell lennie.

A leginkább alkalmazhatónak a deutérium és a trícium fúziója (D + T → 4He + n + 17.58MeV) tűnik, de a deutérium-deutérium reakciót is terítéken tartják. A deutériumot könnyen kinyerhetjük a vízből (koncentrációja 30g/m3). A tríciumot azonban vagy atomreaktorban kell gyártani, vagy a Föld kérgében nagy mennyiségben megtalálható lítiumból kell előállítani egy fúziós reaktorban.

Ez utóbbit elérhetjük egy, a reaktormagot körülvevő viszonylag vastag (1mm) lítiumköpeny (berilliumot is tartalmazó) felhasználásával. A lítium befogja a köpeny által lelassított neutronokat, majd a folyamatban trícium és hélium áll elő. A keletkező energia fűti a köpenyt, azaz hagyományos energiatermelés is zajlik. A berillium abban játszik szerepet, hogy a rendszerben a neutronok számát megfelelő szinten tartsa.

A plazmában a töltött részecskék mozgását egy külső mágneses térrel lehet irányítani. A zárt, mágneses egybentartással működő rendszerekben, az úgynevezett tokamak reaktorokban, 1021részecske/m3 sűrűségű plazmát (például D-T) tartunk egyben és fűtünk. A mágneses tér arra szolgál, hogy a részecskék ne ütközzenek a rendszer falával. Máskülönben a plazma azonnal "lehűlne" és a fúzió leállna.

A magas hőmérséklet mellett a mágnesesek által a plazmára kifejtett nyomásnak is elképesztőnek kell lennie. A légköri nyomásnak megfelelő sűrűség (kb. 1027részecske/m3) esetén, és 10 keV-es termikus energiát feltételezve, a mágneses nyomásnak 108 hPa-t meg kellene haladnia. A teret létrehozó tekercsek és a tartószerkezet ekkora nyomást nem viselne el! Ahhoz, hogy a nyomás kezelhető legyen a részecskék sűrűségét csökkenteni kell. Ezért a Lawson-kritérium kielégítése érdekében a forró plazmát hosszabb ideig kell egybentartani.

A leghatékonyabb mágneses tér elrendezésnek a gyűrűs (toroid) bizonyult. A reaktorkamra fánk alakú, és egy zárt "mágneses üveget" alkot. A plazmastabilitás érdekében a mágneses tér spirális erővonalakat ír le. Ilyen egybentartást használnak a tokamakok, a sztellarátorok és az ellentétes terű szorítók (angolul Reverse Field Pinch - RFP).

A tokamakban tekercsek helyezkednek el tórusz alakban. A transzformátormag a tokamak középpontján halad keresztül, míg a plazma egy másodlagos áramkört alkot. A merőleges, úgynevezett poloidális teret egyrészt a plazmaáram hozza létre, másrészt a tartály kerületén elhelyezett poloidális tekercsek generálják.

Credits: EFDA
Az így létrehozott áram a plazma fűtésére is fordítódik, hogy a szükséges, kb. 10 millió kelvint elérjék. A tokamakot Andrej Szaharov és Igor Tamm orosz fizikusok dolgozták ki. A tokamak hátránya, hogy meglehetősen szűk az üzemeltetési paraméterek tartománya. A legnagyobb tokamak eddig az Egyesített Európai Tórusz (Joint European Torus - JET) volt.

A sztellarátorban a plazmát a rajta kívül folyó áramok befolyásolják. A spirális erővonalakat olyan tekercsek hozzák létre, amelyek maguk is spirálisak.

Credits: LHD
A legnagyobb sztellarátor a Nagy Spirális Eszköz (angolul Large Helical Device - LHD) balra látható a képen, és 1998-ban helyezték üzembe a japán Nemzeti Fúzióskutatások Intézetében. Mivel a sztellarátorokban lévő plazmában nem folyik áram, a fűtést valahogyan máshogyan kell elérni, például a plazmát bombázó elektromágneses sugárzással. Ilyen technikát szeretnének a németországi Grefswaldban használni. Ezek az eszközök hasonlítanak a tokamakokra a gyűrűs és poloidális terek tekintetében. Az áramok azonban jóval erősebbek, és a gyűrűs tér iránya fordított a plazma szélén. Ilyen rendszereket többek között az olaszországi Padovában alkalmaznak.

A tehetetlenségi egybentartás azon alapul, hogy egy előkészített D-T pelletet (fagyasztott anyagdarabka) nagyon gyorsan felmelegítenek a plazmaállapotnak megfelelő hőmérséklet és nyomás elérése érdekében.

Credits: ITER
Ehhez a pelletet összenyomják erős, jól fókuszált lézerfénnyel. Ekkor a pellet felülete elpárolog és plazmakorona jön létre. A plazma tágul és egy befelé ható nyomáshullám indul meg, amelynek a hatására a pellet berobban, azonnali fúziós reakciót létrehozva.

A legfejlettebb, tehetetlenségi egybentartáson alapuló fúziós rendszer a NOVA, amelyet az egyesült államokbeli Lawrence Livermore laboratóriumban működtetnek. A NOVA-val foglalkozó kutatók megmutatták, hogy a folyékony D-T keverék nyomásának 600-szorosát, és az ólom sűrűségének 20-szorosát képesek elérni.

Az Európai Unió a JET programot 1978-ban indította. A fő cél az, hogy fúziós, plazmafizikai és stabilitási vizsgálatokat folytassanak. A JET a brit Culham-ben épült fel.

Image Credits:ITER
Az eszköz a legnagyobb tokamak a világon, 1983-ban kezdte meg működését, és az első ellenőrzőtt fúziós energiatermelést 1991. novemberében hajtotta végre. Deutérium-trícium kevert üzemanyag felhasználásával 1997-ben érték el a rekordnak számító 16MW-os teljesítményt. A JET kísérlet bizonyítékul szolgált arra, hogy az ellenőrzött fúzió megvalósítása lehetséges.

Utódja az ITER, egy nemzetközi kutatási és mérnöki projekt, amelynek keretében a világ legnagyobb tokamakját építik fel a franciaországi Cadarache-ban. Az ITER célja, hogy bebizonyítsa, hogy az eddigi plazmafizikai kísérletek után egy régen várt, hétköznapi, elektromos áramot termelő fúziós erőművet is létre lehet hozni.

Az egyesült államokbeli Kaliforniában található a Nemzeti Gyújtási Intézet (angolul National Ignition Facility - NIF), amely a legnagyobb és legerősebb lézerekkel rendelkező létesítmény a világon, és céljai között szerepel a magfúzió és az energiatermelés laboratóriumi elérése, azaz egy mini csillag létrehozása a Földön.

A NIF-ben erős lézereket használnak arra, hogy addig a pontig hevítsenek és nyomjanak össze kis mennyiségű hidrogén üzemanyagot, amíg a magfúzió beindul. A NIF-ben van a legnagyobb és leghatékonyabb tehetetlenségi egybentartáson alapuló fúziós eszköz, amelytől azt várják, hogy elsőként éri el a "begyulladást", azaz a jelentősen több energiatermeléssel, mint energiabefektetéssel járó reakciót. A NIF missziója az, hogy nagy energianyereséget érjen el fúzió segítségével a laboratóriumban, és támogassa a nukleáris fegyverek fejlesztését és tervezését úgy, hogy a fegyverek használata közben fellépő feltételek között tanulmányozza az anyagot.

Az az extrém hőmérséklet és nyomás, amelyet a NIF céltárgykamráiban el tudnak érni, eddig soha nem látott kísérleteket tesz lehetővé a nagy sűrűségű anyaggal kapcsolatos kutatásokban és olyan asztrofizikai objektumok vizsgálata előtt is megnyitja a kapukat, mint a szupernovák, óriásbolygók és fekete lyukak.

Bizonyos értelemben a fúzió a maghasadással ellentétes reakció. Utóbbiban kisebb tömegű atommagok keletkeznek egy nagyobb tömegűből, és a létrejött össztömeg alacsonyabb, mint a kiinduló nehéz atommag tömege. A fúzió során a keletkező nehezebb atommag tömege kisebb, mint a kiinduló könnyebb atommagok össztömege.

Könnyen belátható, hogy a fúziós reakcióhoz az ütköző atommagoknak (ne feledjük, hogy pozitív töltésűek!) viszonylag nagy energiával kell rendelkeznie, hogy legyőzzék az elektromos taszítást. Ezért ahhoz, hogy héliumatommagot hozzunk létre, mondjuk deutérium és trícium segítségével, az üzemanyagnak rendkívül magas hőmérsékletet és nyomást kell elérnie.

Neutron is keletkezik a fenti a reakcióban. A neutron nagy mozgási energiájú, amelyet a lassulása során lead. Ezt az energiát hővé, majd gőzzé lehet alakítani, amely egy turbinát hajthat, és egy elektromos generátort táplálhat. A fúziós reakcióban így keletkező neutront arra is lehet használni, hogy kimerült uránból, amelyben a 235U izotóp gyakorisága kisebb a természetes értéknél (0,72%), üzemanyagot gyártsunk.

Minden körülöttünk lévő 6000 hidrogénatom közül (beleértve a vízben lévő hidrogént is) egy deutérium. Ez a jelentős gyakoriság meglehetősen jó ösztönzés arra, hogy egy fúziós erőművet építsünk, hiszen egy ilyen létesítmény akár milliárd évekre is megoldaná az emberiség energiaproblémáit.

Összehasonlításképpen vegyük figyelembe, hogy éven keresztül 1 GW elektromos áram termeléséhez 35 tonna UO2-re szükséges a hasadási reaktorok esetén, míg ehhez csupán 100kg deutériumot és 150kg tríciumot használna fel egy fúziós reaktor. Ezen túl a fúzióban az is vonzó, hogy szinte egyáltalán nem termelődik radioaktív anyag. Azaz egy fúziós reaktorban nem lehet nukleáris fegyverhez alapanyagot gyártani. Sőt a hasadási atomerőművekkel szemben, egy fúziós erőműben lényegében egy komoly robbanás is elképzelhetetlen, hiszen egy ilyen esemény során a plazma azonnal kitágulna és lehűlne, azaz a fúzió rögtön leállna.

Természetesen ez nem jelenti azt, hogy a fúziós reaktorokkal nem jár veszély. Figyelembe kell vennünk a nagy mennyiségű neutrontermelést és azt a tényt, hogy a trícium radioaktív. A lítiumsó és a rákkeltő berillium jelenléte szintén problémát jelenthet.

A hasadási reaktorokhoz hasonlóan, a fúziós reaktorokban is elég sok ionizáló sugárzás (különösen neutron) keletkezik. Ezért a fő problémák egyike biztosan a létesítmény egészében a dolgozók sugárzás elleni árnyékolása. A mágneses rendszerrel, amely jelentős mennyiségű energiát tárol, kapcsolatos lehetséges balesettel járó kockázatokat is figyelembe kell venni. 1992-ben megalakították az európai fúziós energiával kapcsolatos környezeti hatásokkal és biztonsági kérdésekkel foglalkozó (European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power - SEAFP) csoportot. Vizsgálataik szerint a hasadási erőművekkel szemben a fúziós erőművek egyik nagy előnye, hogy, még a legrosszabb esetben is, a környezetbe kerülő sugárzási szint nagyon alacsony marad, ezért az emberek kitelepítésére biztosan nem lesz szükség. Emellett a fúziós reaktorokban keletkező radioaktív hulladék aktivitása gyorsan lebomlik és nem lesz szükség az elkülönítésükre. Azonban a radioaktív trícium esetleges környezetbe történő kikerülése komoly probléma lehet. Ennek a gáznak nagy az áthatolóképessége, könnyen oldódik vízben, és hosszú ideig veszélyt jelenthet (felezési ideje kb. 12 év).

Mindeddig az ígéretek és remények elhamarkodottak voltak az energiatermeléssel kapcsolatban. Nem sokkal ezelőtt sikerült elérni azt, hogy az energiatermelés és az energiabefektetés kiegyenlítette egymást (először az amerikai TFTR és a japán JT60, majd a JET). A legfőbb problémák a következők: a stabil plazmakonfiguráció fenntartása, a nagy neutronfluxust bíró anyagok kifejlesztése, a rendszerből történő, hasznosítható energia kivonása és az energiabefektetésnél jelentősen több energiatermelés elérése.

Image Credits:ITER
Jelenleg a vezető szerepet az ipari fúziós erőmű kidolgozásában az ITER tölti be. Mostanában új lendületet kapott a projekt az ITER 2007-es alapítása (Kína, EU, India, Japán, Dél-Korea, Oroszország, Egyesült Államok részvételével) óta. A franciaországi Cadarache-ban már építik a berendezést, amelynek célja az 500MW-os teljesítmény és a Q=5-10 erősítési tényező elérése az elkövetkező 30 évben.

A tokamak épület alapozása - Cadarache, Franciaország, 2014. február.

Sajnos a termonukleáris energiát (csakúgy, mint az energia más formáit) is már felhasználták katonai célokra az úgynevezett hidrogénbombában.