A fúziós reaktor “csodája” mikor válik valósággá? És mi következik utána?

A fúziós reaktor a filléres, végletekig zöld és fenntartható, továbbá szinte korlátlan mennyiségű energia ígéretét hordozza. De mikor lehet reális a fúziós energia eljövetele és mit változtathat majd meg, ha valóban kezd elterjedni?

Néhány korábbi és jó pár soron következő cikkünkben részletesen foglalkozunk a fúziós energiával. Ez egykor csak a tudományos-fantasztikus irodalom része volt, de ma már valóságos lehetőségként áll előttünk, a talán nem is olyan távoli jövőben. Emberiségként, fosszilis energiában szegény országként és egyébiránt társadalmi-gazdasági szempontból az a feladatunk, hogy várakozzunk még néhány évet. Mi, a fenntarthatóság hívei persze évek, sőt, évtizedek óta kitartóan várjuk a fúziós energia valósággá válását. Azét a fúziós reaktor projektét, amely mindig 20-30 év múlva lesz valóság, majd valamikor a távolabbi jövőben. Igen, folyton azt halljuk: 20 vagy 30 éven belül is elkövetkezhet a posztmodern atomkor után egy vadonatúj korszak, a filléres és (szinte) korlátlan fúziós energia ideje, majd a fúziós reaktor megvalósulása után.

Mi is az a fúziós reaktor?

A fúziós reaktor egy olyan berendezés, amely a nukleáris fúzió elvén működik, azaz könnyű atommagok egyesítésével hoz létre energiát. A fúziós reaktorok működése az a folyamat, amely a Nap és más csillagok energiaforrását is jelenti. A célja, hogy a Földön is kontrollált körülmények között előállítsa ezt a fajta energiát, ami potenciálisan tiszta, biztonságos és gyakorlatilag korlátlan energiaforrást jelentene.

A fúziós reaktor alapelvei

A nukleáris fúzió során két könnyű atommag, tipikusan hidrogén izotópok, például deutérium (D) és trícium (T), összeolvadnak, és e folyamat során nagyobb, nehezebb atommag jön létre, például hélium, miközben jelentős mennyiségű energia szabadul fel. Ez az energia a magok kötési energiájának a változásából származik, mely Albert Einstein híres
E=mc² egyenletével írható le, ahol E az energia, m a tömegváltozás, és c a fény sebessége a vákuumban, pontosabban ennek a négyzete.

*

A témában olvassa el ezt a kapcsolódó hírünket is:

https://green.hu/cikkek/fuzios-eromu-jet-energiarekord/

*

A fúziós reaktorok kihívásai

A fúzióhoz szükséges, hogy az atommagok elegendően közel kerüljenek egymáshoz ahhoz, hogy leküzdjék az elektromos taszítást, ami magas hőmérsékletet (több millió Celsius-fokot) és nyomást igényel. A Földön a fúzió kontrollált körülmények közötti megvalósításához két fő technológiai megközelítés létezik:

Mágneses összezárás: a legígéretesebb technológia, amely mágneses mezők segítségével tartja a forró plazmát távol a reaktor falaitól. A hatalmas ITER projekt, amely Franciaországban épül, az e technológián alapuló legnagyobb kísérleti fúziós reaktor.

Inerciális összezárás: ez egy másik megközelítés, ahol nagy energiájú lézerekkel vagy elektronnyalábokkal gyorsan összenyomnak és felmelegítenek egy kis mennyiségű fúziós üzemanyagot, elég rövid időre ahhoz, hogy fúzió történjen. Ezt a technológiát különösen az Egyesült Államokban lévő National Ignition Facility (NIF) kutatja.

Fúziós reaktor legnagyobb előnyei

Tiszta energia: A fúzió során keletkező radioaktív hulladék mennyisége jelentősen kisebb, mint a hagyományos nukleáris (hasadáson alapuló) erőműveké, és a hosszú távú környezeti hatása is elhanyagolható.
Biztonság: A fúziós reaktorban nincs lehetőség láncreakcióra, így azok a típusú balesetek, amelyek a hasadáson alapuló erőműveknél előfordulhatnak, itt kizártak.
Korlátlan üzemanyag: A fúzióhoz szükséges deutérium a tengervízben bőségesen megtalálható, a trícium pedig előállítható a reaktorban, így az üzemanyag-ellátás gyakorlatilag korlátlan.

A fúziós reaktor fejlesztések jelenlegi helyzete és kihívásai

Bár a fúziós energia rendkívüli lehetőségeket kínál, a technológia még mindig fejlesztés alatt áll, és számos technikai és anyagi kihívás áll fenn annak kereskedelmi szintű megvalósítása előtt. A legnagyobb kihívások közé tartozik a plazma kontrollált fenntartása elegendő ideig ahhoz, hogy nettó energiatermelés történjen, valamint a reaktor anyagának kifejlesztése, amely ellenáll a hosszú távú neutron-bombázásnak.

A fúziós energia képes lehet megoldani az energiaellátási és környezetszennyezési problémáinkat, bár a fejlesztési és üzemeltetési költségek jelentős befektetést igényelnek az államok és cégek részéről.

A fúziós reaktor és a fosszilis tüzelőanyagok jövője

Amikor a fúziós energia a gyakorlatban is elterjed, az energetika világa teljesen megváltozik. A fosszilis tüzelőanyagok, mint a kőolaj és a földgáz, már csak luxuscikkek lesznek, hiszen a fúziós erőművek olcsó és szinte korlátlan energiát fognak biztosítani. Ez az átalakulás hasonlítható az 50-es és 60-as évek atomenergia terjedéséhez. A fúziós energia megjelenése teljesen átértékeli a fosszilis tüzelőanyagok szerepét és piaci helyzetét.

Gazdasági és geopolitikai hatások

Érdekes vizsgálni, hogy a gazdag olajállamok, mint az Egyesült Arab Emírségek vagy Szaúd-Arábia, hogyan készülnek fel a fúziós energia világára, amikor a fosszilis tüzelőanyagok piaca radikálisan megváltozik. Az olajtartalékok fogyása mellett a fúziós energia megjelenése alapjaiban fogja átalakítani az energetikai ipart globális szinten.

Ilyen lehet a fúziós reaktor megvalósulását követő jövő

Amikor a fúziós energia valósággá válik és jelentős mennyiségben lesz képes energiát előállítani, az az Európai Uniót, az Egyesült Államokat és Ázsia gazdag országait is érinteni fogja. Ez a fejlődés alapvetően megváltoztatja a világ energetikai rendszerét, és új korszakot jelent az emberiség történetében. A fúziós energia hasznosításának fejlődése szoros figyelmet érdemel, mivel ez jelentős hatást gyakorol majd a napenergia, a szélenergia és más megújuló energiaforrások hasznosítására is.

A fúziós reaktor korszaka felé – íme a sokkalta fenntarthatóbb energia

A fúziós energia megvalósulása jelentősen csökkentheti az emberiség ökológiai lábnyomát és új korszakot nyithat az energiaellátásban. Ez a korszak nem az atomkorszak, hanem a fúziós korszak lesz, amelyben az energiaellátás biztonságos, fenntartható és költséghatékony módon valósulhat meg. A fúziós energia forradalma felé haladva, minden erőfeszítésünket arra kell összpontosítanunk, hogy ezt a korszakot minél kevesebb környezeti terheléssel és energiafogyasztással érjük el.

Íme a kísérleti fúziós reaktorok típusai

A fúziós plazma összetartásának és kontrollálásának eltérő módszerein alapulnak. A leggyakoribb és legígéretesebb típusok a következők:

1. Tokamak

A tokamak a legelterjedtebb kísérleti fúziós reaktor típus, amely egy toroidális (fánkszerű) kamrában tartja a forró plazmát mágneses mezők segítségével. A mágneses mezőt részben a kamra körüli tekercsek hozzák létre, részben pedig a plazma áramlása által. A cél a plazma elegendő hőmérsékleten és nyomáson való fenntartása a fúzióhoz. Az ITER projekt, ami jelenleg Franciaországban épül, egy nagyméretű tokamak kísérlet, amely a fúziós energia kereskedelmi alkalmazásának előmozdítására irányul.

2. Stellátor

A stellátor egy másik típusú mágneses összezárású fúziós reaktor, amely szintén toroidális kamrát használ, de a mágneses mezőt kizárólag külső mágnesek hozzák létre, különleges geometriájú tekercsekkel. Ez a megközelítés más típusú mágneses mezőt eredményez, mint a tokamak, és különböző előnyökkel és hátrányokkal jár a plazma stabilitása és kontrollálása szempontjából. A Wendelstein 7-X Németországban egy kiemelkedő példa a stellátor típusú kísérleti reaktorra.

3. Inerciális összezárású fúzió (ICF)

Az inerciális összezárású fúzió egy teljesen más megközelítést alkalmaz, ahol a fúziós üzemanyagot (például deutérium-trícium cseppet) nagyon rövid, intenzív lézerimpulzusokkal vagy ionnyalábokkal sűrítik és melegítenek fel. A cél az, hogy a fúziós reakció elég gyorsan megtörténjen, mielőtt az üzemanyag szétesne. A National Ignition Facility (NIF) az Egyesült Államokban az ICF egyik legjelentősebb kutatóintézete.

4. Magnetized Target Fusion (MTF)

A Magnetized Target Fusion egy hibrid megközelítés, amely ötvözi a mágneses összezárás és az inerciális összezárás elemeit. Itt a fúziós üzemanyagot először mágneses mezővel stabilizálják, majd gyors sűrítéssel (pl. robbanás vagy hidraulikus préselés segítségével) hevítik fel, hogy fúziós reakciót érjenek el. Ez a technológia még korai fejlesztési szakaszban van.

5. A Tokamak és Stellátor kombinációja

Néhány új kísérleti projekt kombinálni próbálja a tokamak és stellátor előnyeit, hogy javítsák a plazma stabilitását és hatékonyságát. Ezek a kísérletek még nagyon korai stádiumban vannak, és céljuk, hogy optimalizálják a fúziós reaktorok tervezését a jövőbeli alkalmazások számára.

Ezek a kísérleti reaktorok kulcsfontosságúak a fúziós energia jövőbeli fejlesztése szempontjából, mivel a bennük végzett kutatások alapvető ismereteket és adatokat szolgáltatnak a fúziós folyamatok megértéséhez és kontrollálásához.

A ma létező fúziós reaktor projektek és létesítmények részletesen

ITER

Az ITER egy nemzetközi kísérleti tokamak fúziós reaktor projekt, amely Franciaországban, Cadarache közelében épül. Az ITER célja, hogy bizonyítsa a fúziós energia kereskedelmi életképességét, és elősegítse a fúziós technológia további fejlesztését. Az egyik legambiciózusabb energetikai kutatási projekt a világon.

Wendelstein 7-X

A Wendelstein 7-X egy stellátor típusú kísérleti fúziós reaktor Németországban, Greifswald városában. Ez a világ egyik legnagyobb stellátor reaktora, amely a mágneses összezárású fúzió kutatását célozza. A projekt célja a stellátorok hosszú távú plazmafennmaradási képességének és energiahatékonyságának a demonstrálása.

National Ignition Facility (NIF)

Az NIF az Egyesült Államokban, Kaliforniában, a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban található. Ez a világ egyik legfejlettebb inerciális összezárású fúziós kutatóintézete, amely nagy energiájú lézerek segítségével próbálja elérni a fúziós energiatermelés feltételeit. Az NIF fő célja a fúzióval kapcsolatos alapkutatás és az amerikai nukleáris arzenál karbantartásának támogatása.

*