Ezért kell 150 millió Celsius-fokot csinálni a Földön

A magyar átlagember ügyes-bajos dolgait intéző mindennapjaiba villámcsapásként hasított a hír, miszerint a Kínai Tudományos Akadémia kutatói 100 millió Celsius-fokos hőmérsékletet hoztak létre az EAST elnevezésű berendezésükben. Na jó, ha a többség ettől nem is kap sokkot, azért csak leesik az ember álla főleg annak ismeretében, hogy 1500 fok körül a vas is megolvad, de 15 millió foknál a Nap magja sem melegebb.

A kísérlet nyilván nem öncélú volt, hanem a jövő energiaforrásának tekintett magfúzió létrehozásának egy lépése és még csak nem is rekord:

A magfúzió beindításához földi körülmények között 150 millió Celsius-fokra van szükség, aminek előállítására ma már a világ több kutatóintézete is képes. A kihívást az jelenti, hogy a folyamat egyelőre több energiát igényel, mint amennyit kinyerhetünk belőle

- mondja a 24.hu-nak Réfy Dániel fizikus, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos segédmunkatársa.

A fúziós energiatermelés legfőbb előnye, hogy üzemanyaga a hidrogén két izotópja, a deutérium és a trícium, mindkettő hatalmas mennyiségben található meg és állítható elő földünkön. Hosszú távon, megbízható módon és nagy mennyiségben termelhetnénk áramot károsanyag-kibocsátás, környezeti ártalmak és nagy mennyiségű radioaktív hulladék nélkül.

A részletekkel nem húzzuk tovább az időt, a fúziós energiatermelésről kiváló, közérthető információkat talál a magfuzio.hu-n. Mi most a 150 millió fokon hüledezünk tovább, az elején kezdjük.

Egyszerű: csak le kell másolni a Napot

Atomerőművek atommagok széthasításából nyerik a hőt, amiből aztán áramot termelnek, fúziós erőműveknél pont fordítva, itt két atommag fúziója - vállaltan laikus megfogalmazásban: egyesülése - szolgáltatja az energiát. Csakhogy az atommagok pozitív töltésűek, taszítják egymást, vagyis természetes hajlamuknál fogva eszük ágában sincs fuzionálni, erre kényszeríteni kell őket.

Ehhez vagy annyira gyorsan kell ütköztetni, hogy esélyük se legyen kitérni, vagy elképesztő nyomással egymáshoz préselni.

Utóbbi történik minden csillagnak nevezett gázfelhőben, a mi Napunkban is: a gravitáció jelentette nyomás a magban beindítja a fúziót, az így keletkezett energia viszont nem engedi összeroskadni a testet, vagyis a maga csillag nem más, mint gravitáció és fúzió egyensúlya.

Talán senki nem lepődik meg azon, hogy ami roppant tömegű Napunkban természetes, annak megvalósítása földi körülmények között igencsak bajos. De nem lehetetlen, tudósainknak hála az "ütköztetéses" és "préseléses" módszer is működik.

Fotó: Science Photo Library / AFP

Lehet préselni, de nagyon problémás

Gondoljunk a hidrogénbombára, ami nagyon leegyszerűsítve egy atomtöltet az izotópokat tartalmazó kis kapszulával kiegészítve. Az atomrobbanás összepréseli a tartályt, a lökéshullám pedig beindítja a hidrogén fúzióját

- magyarázza a szakember.

Energiatermeléshez nyilvánvalóan környezetkímélőbb, szelídebb, de sokkal inkább kézben tartható módszerre van szükség, Amerikában kísérleteznek például az úgynevezett lézeres fúzióval. Összesen 192 darab, egyenként egy terawatt teljesítményű lézerrel lövik a körülbelül milliméteres gömbbe zárt izotópokat: az egész összepréselődik, létrejön a fúzió, de a módszer problémás.

A gömböt eredeti térfogatának körülbelül három ezred részére kell összenyomni, ráadásul minden irányból egyszerre. Máskülönben a szabadon maradó részeken kitüremkedik, mint a markunkba szorított, félig felfújt lufi.

Felfoghatatlan hőmérséklet

A legjárhatóbb út az ütközés, amint fent is írtuk, ezt hővel érik el: addig melegítik a gázt, míg a részecskék mozgása már annyira gyors, hogy azonos töltésük sem képes kitéríteni őket egymás útjából: ehhez kell a 150 millió fok.

Sok millió fokról beszélünk, ezért nem túlzás azt mondani, a gáz hamar ionizálódik, más néven plazma állapotába jut. Ez azt jelenti, hogy a nagy erejű ütközések hatására a negatív töltésű elektronok és a pozitív atommagok elszakadnak egymástól, de nem alkotnak újabb kötéseket, az atommagok és az elektronok külön-külön vannak jelen ugyanazon térben.

Két kérdés merül fel jogosan: hogyan lehet ezt a hőfokot elérni, illetve hol "tárolhatnak" olyan hőmérsékletű plazmát, ami bármilyen anyagot azon nyomban elpárologtat, amihez csak hozzáér?

Lebegnie kell

A megoldás, hogy az anyag vákuumban, mágneses térben lebeg, tágulását mágneses mező akadályozza meg: máskülönben a kamra falához érve azonnal lehűlne. Nagyon fontos a mágneses tér szerepe, ami mint egy damil a rá fűzött gyöngysort tartja, úgy haladnak körülötte spirál alakban a töltött részecskék.

A mágneses térnek azonban önmagával kell összeérnie, miként a gyöngysorból is akkor lesz nyaklánc, ha összekötjük a damilt.

Ezt a magába harapó mágneses teret, a plazma lebegését biztosítani képes berendezést a múltban már több állam kifejlesztette, a szovjet/orosz verzió a tokamak, a nyugati/amerikai a sztellarátor. Ez az úgynevezett mágneses összetartású fúzió nem alkalmas hadászati célokra, így a hidegháború legkeményebb éveiben sem csináltak belőle titkot, a technológia a kezdetektől bárki számára elérhető.

Fel kell fűteni

No, és a hevítés:

Első lépésként több millió amper erősségű áramot hajtanak a plazmában, amitől az úgy melegszik, mint a 100-as izzó otthon a csillárban. Azzal a különbséggel, hogy a végállomás itt 10 millió fok

- fogalmaz Réfy Dániel.

Majd jön a mikrohullám, és hogy a nagyságrendet megértsük, az otthoni mikró teljesítménye általában egy kilowatt, ezek a berendezések 10 megawattot tudnak. Végül következik a részecskebelövő, aminek lényege, hogy a plazmába nagy energiájú részecskéket juttat, ezek mozgási energiája alakul át hővé.

A tudósok és a mérnökök számára ezen a ponton kezdődik az igazi kihívás, hogy a magfúzió fennmaradjon, jelenleg ugyanis a plazma gyorsan kihűl, azaz elveszti energiáját. Teljesen logikus: ha több tíz megawatt energiát nyomunk be a rendszerbe, ennél többet szeretnénk kivenni, ha már egyszer energiatermelés a cél.

Az épülő franci ITER Reaktor
Fotó: Christophe Simon / AFP

Ráfordulunk a célegyenesre

A hatékonyság mérésére a szakemberek mérőszámot használnak, ami akkor egy, ha a befektetett és kivett energia mennyisége megegyezik, alatta negatív a mérleg, fölötte pozitív. A jelenlegi világcsúcs pedig 0,62, szóval van még hova fejlődnünk. Ahogy a fizikus fogalmaz:

Az atomerőműveknél a folyamat kordában tartása jelent kihívást, fúziós erőműveknél viszont az, hogy beindítsuk és fenntartsuk.

A végére persze van jó hírünk is: a világ hét legfejlettebb országa - köztük az Európai Unió - már megkezdte Franciaországban az International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) elnevezésű kísérleti fúziós reaktor építését. Hihetetlen mérnöki munkát igénylő, óriási vállalkozás. A háztömbnyi reaktorban ezer köbméternyi, 150 millió fokos plazma lesz, tőle egy-két méterre a mágneseknek -270 fokosnak kell maradniuk.

A 18 milliárd eurós, várhatóan 2021-re elkészülő projekt a tervek szerint 50 megawatt befektetéssel 500 megawattnyi fúziós teljesítményre lesz majd képes.

Az első kísérlet 2025-ben veszi kezdetét, az első, már valóban kereskedelmi célú, hálózatra termelő fúziós erőmű tervezése és megépítése majd csak az itteni tapasztalatok alapján várható. A munkába az EU-n keresztül a Wigner Kutatóközpont több mint 40 fős kutatókból és mérnökökből álló csapata is részt vesz csúcstechnológiás diagnosztikai fejlesztéseivel.

Kiemelt kép: Ge yinian / Imaginechina / AFP

Bihari Dániel korábbi cikkei