Fúziós erőmű mérföldkő: energiarekord a JET-ben, de hol tart ma a fúzió?

A fúziós erőmű hívei Joint European Torus (JET) európai kutatói jelentős tudományos eredményt értek el 2024  elején: 69 megajoule-os energiarekordot állítottak fel a fúziós energia tartós és ellenőrzött felszabadításával. Ez az eredmény egy olyan kísérlet részeként született, amelynek célja a jövőbeli fúziós gépek „működési forgatókönyvének” ellenőrzése volt. De: hol is tart ma a fúziós energia kutatása? Mikor lesz ebből valóság?

Kezdjük az alapokkal, a tórusz formájú vákuumkamrával rendelkező első fúziós kamrák, az úgynevezett tokamakok már az 1950-es évektől kutatott és azóta is folyamatosan fejlesztett fúziós berendezések. A hetven évnyi fejlesztést követően azonban még mindig csak az első eredmények érkeznek arról az elmúlt egy-két évben, hogy

sikerül több energiát kinyerni a fúzióból, mint annak a beindításához és fenntartásához szükséges.

Pedig ez lenne a lényeg, ha az atomenergiát valóban le szeretnénk váltani a mai formájában. Nem csak Európában, de Kínában is nagyon előre járnek a kutatások, bő 10 éven belül ott már jelentős eredményeket ígérnek.

Hol tartanak ma a kutatások?

A mai, európai  kutatások amolyan zászlóshajója (vagy állatorvosi lova) a franciaországi Cadarache mellett épülő ITER kísérleti erőmű. Ez már egy paksi blokknyi, azaz már 500 MW leadására lehet képes, 16 milliárd eurós, azaz 6200 milliárd forintos várható költséggel. De 2050 előtt nem várható igazi siker az ITER-től sajnos.

Az első európai kereskedelmi célú fúziós reaktor, a DEMO, a mai becslések szerint ott 2050-re várhatóan üzembe állhat – ám a hátralévő negyed évszázad, azaz pontosabban 26 év kellően hosszú idő ahhoz, hogy ez az óriásreaktor még többet csússzon, vagy talán meg se épüljön…

Kiemelendő ezenkívül az amerikai Lockheed Martin repülőgép és űreszköz gyártó óriás védelmi-ipari vállalat egy nagyprojektje. A multicég vezetése még 2014-ben bejelentette, hogy tíz éven belül fúziós erőművet építenek. Ám tavaly derült ki, hogy ezt a projektet időközben leállították, a hírek szerint még 2020-ban.

Az Egyesült Államok amúgy egyébként is komoly lépéseket tesz a fúziós energia terén. A DOE (Department of Energy) több mint 46 millió dollárt ítélt oda különböző cégeknek a fúziós energia fejlesztésére, és célja, hogy 5-10 éven belül elérje a technológiai és kereskedelmi életképességet. A cél az, hogy a fúziós energiát 2030-as évek elején elérhetővé tegyék a hálózat számára​. De mennyire reális ez?

Jelenleg is számos országban vannak nagy léptékű kísérletek a fúziós energiatermelés megvalósítására, illetve több tucatnyi, kisebb-nagyobb kutatóhely, illetve startup próbálkozik számos igen érdekes és innovatív módszerrel megvalósítani azt, hogy a napban lezajló folyamatokat a földre hozzák.

Rengeteg még a nyitott kérdés, így egyelőre nincsen pontos válasz arra, hogy 10-20 év, vagy éppen 30-40 év, mire egy működőképes, sorozatgyártásra érett ilyen reaktor megjelenik az energiapiacon. Az azonban szinte bizonyos, hogy

legalább két-három évtized, mire az új technológia érdemben elkezdi leváltani az atomerőműveket. Nem vagyunk elkésve e téren?

Fúziós energia: a jövő energiaforrása

Az ilyen erőmű technológiája többféle lehet, a legnagyobb épülő ilyen erőmű, az ITER a deutérium és lítium használatán alapul. A deutérium, amely a hidrogén egyik izotópja, viszonylag egyszerűen kivonható a vízből. A lítiumot pedig energia-besugárzással tríciumra bontják, amely szintén egy hidrogénizotóp. A tórusz formájú reaktorkamrába juttatják be a trícium és deutérium keverékét, ahol 100-150 millió fokos hőmérsékleten ionokká hevítik és a mágneses tér segítségével körpályára kényszerítik őket. Bizonyos energiaszint felett beindul a hidrogén fúziója, és e fizikai folyamat során hélium keletkezik, ami a légkörben is megtalálható, semleges és nem sugárzó gáz.

A reaktorkamrában nagyon kis mennyiségű, egyszerre körülbelül 5 gramm üzemanyag található, így annak megsérülése sem okozna jelentős környezeti sugárterhelést. A reaktor falát bórral ötvözött acél képezi, amely jól befogja a reakció során keletkező neutronokat, ezzel megakadályozva, hogy a környezetbe kikerüljenek. A hűtéshez folyékony fémet használnak, az elvezetett hővel pedig turbinákat hajtanak meg, amelyek villamos generátorokat működtetnek, így állítva elő az áramot.

Az ilyen energia tehát, amely a naphoz hasonló csillagokat működtető részecske-egyesülési folyamat, hosszú távon tiszta hő- és villamosenergia-forrást ígér.

A deutérium és a trícium összeolvadásakor hélium keletkezik, és hatalmas mennyiségű hőenergia szabadul fel, ahogyan ez a Napunkban és más csillagokban is történik, ez az elv pedig a jövőbeli fúziós erőművek alapját képezi.

Az év eleji fúziós erőmű rekord részletei

A februári hír lényege tehát, hogy a Joint European Torus (JET) európai kutatói a fúziós energia tartós és ellenőrzött felszabadításával érték el fenti sikereiket. A történet háttere, hogy 2023 szeptemberében az európai fúziós laboratóriumokat tömörítő EUROfusion konzorcium kísérleti kampányt indított az Egyesült Királyság Atomenergia-hatóságának (UKAEA) JET-létesítményében, Culhamben.

A cél a kis és közepes méretű európai berendezésekből kinyerhető, úgynevezett „működési forgatókönyvek” kipróbálása volt. Mégpedig azért, hogy előkészítsék a hatalmas ITER-projekt és a jövőbeli más fúziós erőművek számára ezt az alap-protokollt, ami szerint majd működhetnek a nagyobb kapacitású fúziós reaktorok.

A kutatók e forgatókönyvek egyikét kipróbálva állították fel az új energiarekordot, amely tehát bő 69 megajoule hő felszabadulásával járt, mégpedig egyetlen impulzus során. Ez az eredmény hatalmas jelentőséggel bír, hiszen a mindössze 0,21 milligramm üzemanyagból hat másodperc alatt felszabaduló energia megegyezik a 2 kilogramm szén elégetéséből felszabaduló energiával.

Kulcsfontosságúak ezek a tesztek

A JET harmadik és egyben utolsó deutérium-trícium kísérletsorozatának részeként végzett speciális „lövésekkel” a kutatók bemutatták, hogy az ITER kulcsfontosságú működési forgatókönyvei működni fognak a deutérium-trícium verziót használó fúziós környezetben. Ezek a tesztek pedig kulcsfontosságúak a jövőbeli fúziós erőművek fejlesztésében. A JET kutatási eredményei nemcsak az ITER számára, hanem – ahogy említettük – más globális fúziós projektek számára is kritikus jelentőséggel bírnak.

A fúziós erőmű technológiájának előnyei és hátrányai

Az erőmű tüzelőanyaga, a deutérium és lítium bőségesen áll rendelkezésre a földön, körülbelül egymillió évre elegendő energiát adó mennyiségben. A fúziós erőművek ráadásul nem termelnek nagy mennyiségű sugárzó hulladékot, ezért összehasonlíthatatlanul környezetkímélőbbek, mint a hagyományos, urán alapú atomerőművek. A keletkezett energia könnyen árammá alakítható, és távvezetékeken keresztül nyilván ugyanúgy tetszőleges helyre szállítható. Ráadásul a fúziós technológia biztonságosabb, mint a jelenleg működő nukleáris erőművek. Üzemzavar esetén a fúziós folyamat egyszerűen leáll, nem tud felrobbanni a reaktor, mint ahogyan az mondjuk Csernobilben történt, ami óriási biztonsági előnyt jelent.

Az ilyenfajta energiatermelésnek is akadnak hátrányai, főként, hogy egy ilyen erőmű megépítéséhez számos, egyelőre még fejlesztés alatt álló, csúcstechnológiai összetevő szükséges,

amelyek még hosszú évekig nem alkalmasak sorozatgyártásra. Így például hélium hűtőrendszer, hogy a gázt az abszolút nulla fok közelébe hűtse. Továbbá szupravezető mágnesek, nagy energiájú felfűtő szerkezete, nagy teljesítményű tetródák, vákuumszivattyúk és hasonlók. A folyamat beindítása ráadásul jelentős kezdeti energiát igényel, és tríciumra van szükség, ami jelenleg igen csekély mennyiségben áll rendelkezésre a földön.

Fotók: Unsplash

A témáról bővebben itt olvashat (angol nyelven):

https://www.weforum.org/agenda/2024/02/nuclear-fusion-science-explained/

https://en.wikipedia.org/wiki/DEMOnstration_Power_Plant

*

*