Jelentheti-e az energiaellátás jövőjét a fúziós reaktor? – Előnyei, hátrányai, működése

A fúziós reaktor rengeteg tiszta energiát állít elő viszonylag kis költséggel. Egy nukleáris erőmű, aminek a szíve a fúziós reaktor, egész országok energiaszükségletének kielégítésére képes. Lenne.  Ha nem csak papíron létezne működő példány.

Az igaz, hogy a fúziós reaktorok már kiléptek a sci-fi világából, ám jelenleg a legjobb eredmények is inkább csak kísérletek. Még év(tized)ekre vagyunk attól, hogy a mobilunkat fúziós erőmű termelte árammal tölthessük fel.

De akkor miért költünk rá eurómilliárdokat? Egyszerű: mert a fúziós erőművek viszonylag biztonságosan és olcsón elégíthetnék ki az egész világ energiaszükségletét.

Mi az a fúziós reaktor?

Szakkifejezéssel élve a fúziós erőmű egy termonukleáris reaktor, célja pedig olyan ellenőrzött környezet létrehozása, amelyben két könnyebb atommag egyesülhet egy nehezebb atommaggá, ami közben energia szabadul fel – és itt kezdődnek az izgalmak.

A fúziós reaktor alapját az a nukleáris reakció jelenti, amelynek során – nagyon konyhanyelven fogalmazva – nem szétbontunk atomokat, hanem egyesítjük azokat. Lényegében ugyanaz a reakció, amely a Napot és a többi csillagot működteti.

Tulajdonképpen a Napunk is egy fúziós reaktor, a „rendszere” ráadásul teljesen önszabályzó. Itt a Földön azonban a fúziós reaktor olyan eszköz, amelynek egyetlen célja, hogy a felszabaduló energiából elektromos energiát termeljen a számunkra.

A fúziós energiát az energiakutatás szent gráljának is nevezik, igaz, ez egyben egy olyan technológia is, amelynek az alkalmazásától még mindig 30, ha nem 50 évnyi távolságra vagyunk, pedig most, a jelenben már nagy szükségünk lenne rá.

Hogyan működik egy fúziós reaktor?

Egy fúziós reaktor, ha teljesen leegyszerűsítve nézzük, olyan, mint a világegyetem legszélsőségesebb nyomást produkáló kuktája, csak épp nem paprikás csirke vagy tyúkhúsleves készül benne: a fúziós reaktorban próbáljuk meg újraalkotni ugyanazokat a reakciókat, amelyek a csillagokat táplálják.

A fúziós reaktorban a hidrogéngázt 150 millió °C-ra hevítjük. Ez tízszer forróbb, mint a Nap magja! Ilyen extrém hőmérsékleten a gáz nem csupán plazmává alakul, de a hidrogénatomok is elkezdenek héliummá egyesülni – azaz fuzionálni.

Ez a folyamat óriási mennyiségű energiát szabadít fel, amelyet villamosenergia-termelésre lehet hasznosítani. A fúziós reaktorok tehát úgy működnek, hogy a csillagok magjában uralkodó körülményekhez hasonló körülményeket teremtenek mesterséges módon.

Egy mini nap létrehozása azonban nem olyan egyszerű, mint egy tyúkhúsleves. A forró plazmát hatalmas, -269 °C-ra hűtött mágnesek segítségével kell visszatartani. Ez gyakorlatilag olyan hideg, mint maga a világűr!

Pici csillag pici helyen óriási energiát termel-ne

Lényegében pontosan azt a helyzetet akarjuk előállítani, mintha egy nagyon pici csillagunk volna egy nagyon kicsi világűrben. Ezek a szupravezető mágnesek egy mágneses ketrecet hoznak létre a plazma körül, hogy megakadályozzák, hogy az hozzáérjen a reaktor falaihoz és kárt tegyen bennük.

Milyen típusai vannak a fúziós reaktoroknak?

Akár a hagyományos atomerőműveknél, úgy a termonukleáris erőművek esetében is többféle típus létezik – csak éppen több is kísérleti fázisban. A fúziós reaktorok különböző típusai különböző módszereket alkalmaznak a plazma felmelegítésére és elszigetelésére.

A legelterjedtebbek a következők:

1. Tokamak
2. Sztellarátor
3. Inerciális fúziós reaktor

A tokamak egy fánk alakú berendezés, amely mágneses tereket használ a plazma tóruszba (gyűrűbe) zárásához.

A plazmát a tórusz közepén lévő transzformátortekercs által indukált elektromos áram, valamint további fűtési módszerek, például mikrohullámok vagy semleges sugarak melegítik. A mágneses mezőt a tórusz körüli tekercsek és magában a plazmában folyó áram generálja.

A sztellarátor hasonló a tokamakhoz, de csavartabb alakú, és nem a plazmaáramra támaszkodik a mágneses mező létrehozásához. Ehelyett bonyolultabb, szupravezető tekercselt mágneseket használ, amelyek a plazma alakját követő háromdimenziós mezőt (ketrecet) hoznak létre. Ezáltal a sztellarátor stabilabb és kevésbé hajlamos a zavarokra, de nehezebb is megtervezni és megépíteni.

Az inerciális összezárás olyan módszer, amely erős lézereket vagy ionnyalábokat használ arra, hogy egy kis fúziós üzemanyag-granulátumot összenyomjon és felmelegítsen a fúzió bekövetkezésének pontjáig.

A pelletet egy fémhéj veszi körül, amely elnyeli a sugarak energiáját, majd implodál, azaz berobban, és lökéshullámot hoz létre, amely összenyomja az üzemanyagot. A fúziós reakció csak a másodperc töredékéig tart, de nagy mennyiségű energiát termel.

Fúziós reaktor előnyei: miért jelenthet áttörést?

A fúziós energiának számos előnye van más energiaforrásokkal, például a fosszilis tüzelőanyagokkal, a maghasadással vagy a megújuló energiaforrásokkal szemben. A legfontosabb mind közül, hogy a fúziós energia, tiszta energia.

Nem csak olyan értelemben, hogy az egy millió Celsius fokos plazma akár a legmakacsabb foltokat is eltávolítja a ruhából a ruhával, a mosógéppel, a vízzel és a fürdőszoba egészével együtt, hanem, hogy az előállítása maga sem jár érdemi szennyezéssel.

A fosszilis tüzelőanyagokkal ellentétben ugyanis nem termel sem szén-dioxidot sem más olyan üvegházhatású gázokat, amelyek hozzájárulnának a későbbiekben a globális felmelegedéshez.

A fúziós reaktorhoz még sok mindent kell összehozni

A fúziós energia túl szépen hangzik ahhoz, hogy igaz legyen és valóban nem könnyű megvalósítani. A tudósok már több mint 60 éve dolgoznak ezen a problémán, de eddig még senkinek sem sikerült olyan fúziós reaktort építeni, amely több energiát tudna termelni, mint amennyit fogyaszt.

A három legfőbb kihívás jelenleg az, hogy

• a fúzióhoz rendkívül magas hőmérsékletre és nyomásra van szükség,
• a fúzió során nagy energiájú neutronok keletkeznek, amelyek károsíthatják a reaktort,
• a fúzió komplex mérnöki és vezérlőrendszereket igényel.

A fúzió beindításához a plazmát több mint 100 millió Celsius-fokra kell hevíteni, ami tízszer forróbb, mint a Nap magja. Ahhoz, hogy a plazma stabil maradjon, és ne érjen a reaktor falához, ami lehűtené és károsítaná a berendezést, erős mágnesek vagy elektromos áram által keltett erős mágneses mezőkkel kell körülzárni.

A fúzió során felszabaduló neutronok nagy mozgási energiával rendelkeznek, amelyet a környező anyagokra adnak át, amikor azokkal ütköznek. Ez idővel szerkezeti károkat, anyagromlást és radioaktív aktiválódást okozhat.

Ahhoz, hogy a reaktort és a környezetet megvédjék ezektől a hatásoktól, speciális anyagokat és árnyékolást kell alkalmazni.

A fúziós reaktor biztonságos és hatékony üzemeltetéséhez számos paramétert kell valós időben ellenőrizni és beállítani, például a plazma hőmérsékletét, sűrűségét, alakját, áramát, mágneses mező erősségét és konfigurációját, az üzemanyag-befecskendezés mértékét stb.

Ehhez kifinomult érzékelőkre, működtetőkre, számítógépekre és szoftverekre van szükség, amelyek képesek kezelni a fúzióval járó szélsőséges körülményeket és bizonytalanságokat.

A fúziós energia bőséges, tehát relatív olcsó lesz (a rendszerhasználati díj nélkül kalkulálva)

Fúziós reakciókkal közel négymilliószor több energia szabadítható fel, mint a kémiai reakciókkal, vagyis például a szén, az olaj vagy a gáz elégetésével.

A fúzióhoz szükséges üzemanyag, a deutérium és a trícium pedig széles körben elérhető és gyakorlatilag kimeríthetetlen. A deutérium egyszerűen kivonható a tengervízből, amely a Föld felszínének 70%-át borítja.

A tríciumot elő lehet állítani lítiumból, amely szintén bőségesen megtalálható a természetben, és ráadásul az akkumulátorokból is újrahasznosítható. Egy liternyi tengervíz elegendő deutériumot tartalmaz ahhoz, hogy 300 liter benzinnel megegyező mennyiségű energiát termeljen.

Egy gramm fúziós üzemanyagból ugyanannyi energiát lehet előállítani, mint 8 tonna szénből. Bár a fúziós infrastruktúra kiépítésének kezdeti beruházása költséges lehet, a nukleáris fúzióval történő energiaellátás becsült költsége viszonylag alacsony, mindössze 0,03 euró kilowattóránként. Ez az, ami az egyik legolcsóbb elérhető energiaformává teszi.

A fúziós energia biztonságos, nem lehet újabb Csernobil/Fukusima belőle

A hagyományos maghasadási reaktorokkal szemben a fúziós reaktorok nem termelnek nagy aktivitású nukleáris hulladékot. A reaktor olvadás kockázata is csekély, így sokkal biztonságosabb az üzemeltetésük.

Az atommaghasadással ellentétben ugyanis, amely láncreakcióra épül (és ha nem megfelelően moderálják, akkor kicsúszhat az irányítás alól), a fúzió a hőmérséklet, a nyomás és a mágneses mezők kényes egyensúlyára épül, amely bár könnyen felborulhat, ha valami rosszul sül el – azonban nem okozhat katasztrófát.

Ha a plazma lehűl vagy kiszabadul a mágnesek fogságából, a fúziós reakció azonnal megáll, és a berendezés is biztonságosan leáll. Nincs lehetőség elszabaduló reakcióra vagy robbanásra. A fúzió egyetlen mellékterméke a hélium, amely ártalmatlan, ráadásul felhasználható további célokra.

Mik a fúziós reaktor hátrányai?

Bár a fúziós energiatermelés nagyon ígéretesnek tűnik, még mindig akad néhány olyan kihívás és hátrány, amelyekkel foglalkozni kell. A legelső az energiabevitel.

Amint fentebb már volt arról szó, a magfúzióhoz szükséges feltételek megteremtéséhez kifejezetten nagy hő és nyomás szükséges. A jelenlegi állás szerint viszont majdnem annyi energiára van szükség a magfúzió létrehozásához, mint amennyi energiát az közben megtermel.

Ez azt jelenti, hogy bár jó úton haladunk, de a jelenlegi technológiánkkal a fúzió sajnos még koránt sem piacképes energiatermelési módszer.

Az infrastrukturális költségek óriásiak

A fúziós reaktorokhoz szükséges infrastruktúra kiépítése hatalmas összegeket emészt fel. Bár a fúziós energiatermelés költségei alacsonyak, a szükséges közmű-infrastruktúra kiépítése jelentős beruházást igényel.

A most épülő ITER (Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor) például 22 milliárd euróba fog kerülni. Legalább. Ha nem szállnak el nagyon az árak. A jelenlegi árfolyamon számolva ez 8574 milliárd forint – ez a magyar költségvetés 2023-as bevételének 25%-a.

A fúzióhoz rendkívül magas hőmérsékletre és nyomásra van szükség

Mint tudjuk, a fúzió beindításához a plazmát extrém magas hőmérsékletre kell hevíteni, miközben azt olyan gigászi mágnesek tartják egy helyben, amiket még ezen felül az űr hőmérsékletére is le kell hűteni.

Az egész folyamat tehát számos technikai nehézséget és kockázatot rejt magában, mint például azt, hogy az ilyen szélsőséges körülmények megteremtése és fenntartása maximálisan összetett mérnöki és vezérlőrendszereket igényel – amelyek sajnos hajlamosak a hibákra és meghibásodásokra.

Mikor és hol helyezik üzembe az első fúziós reaktort?

Az ITER az első nagyméretű kísérleti fúziós reaktor, amely jelenleg Dél-Franciaországban épül, várhatóan 2025-ben kezdi meg működését, és 2035-re éri el a teljes teljesítményt. Az ITER néven ismert projekt 35 nemzet együttműködésével valósul meg.

Igaz mindez jelentős csúszással – de ez nem róható fel az orosz-ukrán háborúnak, ugyanis az ITER olyan nemzetközi tudományos együttműködés, amely mentesül a szankciók alól. A csúszást sok egyéb dolog (pl., hogy ilyen gépet még eddig soha, senki nem épített) okozza. Az átadást még 2016-ra tervezték és az azóta frissített terv (miszerint 2025 decemberében létrehozzák az első plazmát az erőműben) ismét újra lett gondolva.

Az ITER célja, hogy 2035-ig legalább 500 megawatt fúziós energiát állítson elő, 50 megawatt bemenő teljesítmény mellett, legalább 400 másodpercig, ezzel bizonyítva a fúzió, mint energiaforrás megvalósíthatóságát. Az ITER eme projektje várhatóan mintegy 20 milliárd euróba kerül és körülbelül 10 évig tart.

Az ITER nem fog érdemben áramot termelni

Az ITER-t azonban nem villamosenergia-termelésre vagy folyamatos működésre tervezték, hanem inkább a fúzió, mint jövőbeli energiaforrás tudományos és technológiai megvalósíthatóságának demonstrálására. Az ITER célja annak bizonyítása, hogy a fúzió a bolygó számára nagyüzemi, biztonságos és környezetbarát energiaforrás lehet.

Az első olyan fúziós reaktor, amely már ténylegesen nettó villamos energiát fog termelni és a hálózatra csatlakozik, várhatóan a DEMO lesz, amelyet a tervek szerint az ITER után, 2050-re építenek meg.

Ez az ütemterv azonban számos bizonytalansággal és kihívással jár, amelyek az összes érintett fél részéről folyamatos elkötelezettséget és együttműködést igényelnek. E cél elérését a felhasznált feltételezésektől és forgatókönyvektől függően a becslések 2050 és 2100 között jósolják.

Magyar fúziós kutatások: van esély a sikerre?

Most, amikor két, már régóta külföldön dolgozó magyar kutatót, Karikó Katalint és Krausz Ferencet is Nobel-díjjal tüntették ki, joggal merül fel, hogy a Magyarországon van-e esély bármilyen a témához kapcsolódó, tudományos, fizikai áttörésre.

Úgy tűnik: van. Magyarország ugyanis részt vesz a fúziós kutatásokban azzal, hogy magyar kutatók és vállalatok kulcsfontosságú technológiákat fejlesztenek az ITER számára. Egy olyan gépvédelmi rendszeren dolgoznak, amelynek célja, hogy gyorsan leállítsa a fúziós reakciót, mielőtt az károsítaná a belső falakat.

A fúziós energia európai perspektívája

Az Európai Unió vezető szerepet tölt be a fúziós kutatás és fejlesztés terén, és hosszú távú elképzelései, tervei vannak a fúziós energia megvalósítására, felhasználására egyaránt. A fúziós energia megvalósításának európai kutatási ütemterve pedig hatékonyan vázolja fel eme elképzelt jövőkép megvalósításának főbb lépéseit és mérföldköveit, amelynek egyik kulcseleme az ITER.

Az ütemterv meghatározza az EU szerepét és hozzájárulását a DEMO tervezéséhez és megépítéséhez, amely várhatóan az első olyan fúziós reaktor lesz, amely nettó villamos energiát termel és folyamatosan üzemel.

Az EU az Euratom-Szerződés és az ITER-megállapodásról szóló tanácsi határozat révén jogi keretet is létrehozott a fúziós energia fejlesztéséhez. Az EU támogatja az európai ipari- és kutatási szervezetek részvételét az ITER-projektben, a Fúzió az energiáért (F4E) nevű hazai ügynökségén keresztül, amely az ITER-hez való uniós hozzájárulás biztosításáért felelős.

Az F4E pedig a fúziós energia fejlesztésének felgyorsítása érdekében irányítja azt a Japánnal kötött tágabb megközelítésről szóló megállapodást, amely egy, az ITER-t kiegészítő kutatási program.

Az EU a tagállamok és a társult országok közötti együttműködést és koordinációt is elősegíti az EUROfusion konzorciumon keresztül, amely 30 nemzeti fúziós laboratóriumot és több mint 150 egyetemet és kutatóintézetet tömörít.

Az EUROfusion az ütemtervvel összhangban irányítja és finanszírozza az európai fúziós kutatási tevékenységeket, és számos fúziós berendezést üzemeltet Európa-szerte, például a JET-et (Joint European Torus) az Egyesült Királyságban, amely jelenleg a világ legnagyobb és legnagyobb teljesítményű tokamakja.

A fúziós energia globális perspektívája

Bár eme felsorolás után úgy tűnhet, azonban az EU nem egyedül törekszik a fúziós energiára, hanem egy olyan globális erőfeszítés része, amelyben számos más ország és régió is részt vesz.

Amellett, hogy az EU – Kínával, Indiával, Japánnal, Dél-Koreával, Oroszországgal és az Egyesült Államokkal együtt – az ITER egyik fő partnere, ami más nemzetközi kezdeményezésekkel és szervezetekkel is együttműködik, amelyek a fúziós kutatást és fejlesztést közvetlenül támogatják, mint pl:

• A Nemzetközi Atomenergia-ügynökség (NAÜ), amely fórumot biztosít a fúziós energiával kapcsolatos tudományos és műszaki információcserékhez, konferenciákat és workshopokat szervez, jelentéseket és szabványokat ad ki, valamint támogatja a fúzióval kapcsolatos oktatást és képzést.
• A Nemzetközi Fúziós Kutatási Tanács (IFRC), amely tanácsot ad a NAÜ-nek a fúziós kutatással kapcsolatos kérdésekben, felülvizsgálja a fúziós programok helyzetét és előrehaladását világszerte, és meghatározza az új tendenciákat és együttműködési lehetőségeket.
• A Nemzetközi Tokamak Fizikai Tevékenység (ITPA), amely a tokamak-kísérletek kulcsfontosságú fizikai kérdéseivel – például a plazma bezárásával, stabilitásával, fűtésével, üzemanyaggal való ellátásával stb. kapcsolatos együttműködésen alapuló kutatásokat koordinálja.
• A IV. generációs nemzetközi fórum (GIF), amely a fejlett atomenergia-rendszerek fejlesztésére irányuló nemzetközi együttműködés keretét képezi, beleértve néhány fúziós-hasadási hibrid koncepciót is.

Mindezen többoldalú együttműködések mellett az EU kétoldalú megállapodásokat és párbeszédeket folytat olyan országokkal is, amelyek jelenleg is aktív fúziós programokkal vagy érdekeltségekkel rendelkeznek, mint például Ausztrália, Brazília, Kanada stb.

Jelentheti-e a fúziós reaktor az energiaellátás jövőjét?

Még 2022 december elején egy nagy bejelentéssel rázta fel a fizikus világot a kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium, miszerint, sikerült egy kísérleti fúziós reaktorban több energiát előállítani, mint amennyi a reakció folyamatának beindításához szükségeltetik. Azóta ezt, idén július végén nem csak megismételniük sikerült, de felül is múlták a korábbi eredményüket, a kísérlet során jóval nagyobb energiahozamot érve el.

Azonban még nem mondható ki egyértelműen, hogy ezzel az eredménnyel ők nyerték volna azt a „fúziós versenyt”, amelybe évek óta, mi több, évtizedek óta világszerte hatalmas mennyiségű állami és magánpénzeket invesztálnak, hogy végül egy olyan erőművet sikerüljön megalkotni, amely radioaktív hulladék termelése és szén-dioxid kibocsájtása nélkül képes áramot előállítani.

A másik fontos fúziós projekt a Wendelstein 7-X, a „sztellarátorvilág JET-je”, amely egy Németországban található fúziós berendezés. Ez a világ legnagyobb és legfejlettebb sztellarátora, és célja, hogy tesztelje e koncepció esetleges alkalmasságát a fúziós energiatermelésre.

Több mint 40 millió Celsius fokos plazmahőmérsékletet és több mint 100 másodperces plazmaidőt ért el. A teljes körű működést várhatóan 2025-ben kezdi meg.

Számos más, kisebb és kevésbé hagyományos fúziós projekt is létezik világszerte, mint például:

• a SPARC, amely egy kompakt tokamak, amelyet az MIT és a Commonwealth Fusion Systems fejleszt az Egyesült Államokban
• a MAST Upgrade, amely egy gömb alakú tokamak továbbfejlesztett változata (egy kisebb lyukkal rendelkező tokamak) az Egyesült Királyságban
• az LPPFusion, amely egy, az Egyesült Államokban működő, sűrű plazmafókuszú berendezés, ami elektromos kisüléseket használ a plazma sűrítésére és fűtésére.

Ami mindegyikben közös, hogy még hosszú évek munkájára van szükségük ahhoz, hogy bizonyíthassák tényleges működőképességüket.

Azon túl, hogy pár atomfizikus kísérletezhet, és az egyes országok sok milliárd eurót költhetnek el, mégis, miért annyira fontos a fúziós energiatermelés? A válasz röviden: a hihetetlen sok energia.

Tagadhatatlan, hogy a fúziós reaktorok forradalmasíthatják energiaellátásunkat

Mivel képesek lehetnek bőséges mennyiségű tiszta energiát termelni káros hulladékok és üvegházhatású gázok kibocsátása nélkül, így igen ígéretes megoldást kínálnak növekvő energiaszükségleteink kielégítésére, miközben az éghajlatváltozással kapcsolatos aggodalmakra is választ adhatnak.

Fontos azonban megjegyezni, hogy amint azt már korábban több szempontból is említettük, még mindig vannak olyan technikai kihívások, amelyeket le kell küzdeni, mielőtt a fúzió nagy léptékben kereskedelmi szempontból életképessé válik. E kihívások közé tartozik a tartós plazmaszigetelés elérése és a szélsőséges körülményeknek ellenálló anyagok kifejlesztése és beépítése.

Habár nem tudjuk biztosan megjósolni, hogy a fúziós reaktorok a jövőben az energiaellátás elsődleges forrásává fognak-e válni, az biztos, hogy a fúziós reaktorokban, mint tiszta, biztonságos és gyakorlatilag korlátlan energiaforrásban óriási lehetőségek rejlenek. A fúziós technológiában rejlő lehetőségek teljes kiaknázása szempontjából pedig kulcsfontosságú lesz a következő 10-30 év a folyamatos kutatás és fejlesztés területén.

Már csak azért is, mert most, 2022 végén, illetve 2023 során sikerült kétszer is az áttörés: az amerika NIF (Nemzeti Gyújtási Létesítmény) több energiát termelt, mint amennyi a reakció beindításához volt szükséges: decemberben 192 lézersugár által 2,05 megajoule-nyi energiát juttattak a kapszulába, és a beinduló fúzióból 3,15 megajoule energiát nyertek.

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, szövegíró. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.