Ha valaki végighallgatja Homonnay Zoltán magkémikus, az ELTE Kémiai Intézete tanárának legutóbbi előadását az atomerőművekről, az az érzése támad, hogy a Pakshoz hasonló, maghasadáson alapuló technológiák tulajdonképpen ma már gyerekjátékok. Ez persze csalóka egyszerűsítés, de ahhoz képest, ami előttünk áll, feltétlenül jogos megközelítésnek tűnik.

A ma használatban lévő atomerőművek mind maghasadáson alapulnak, vagyis nagyméretű atommagokat hasítunk szét kisebbekre, miközben a felszabaduló energiát áramtermelésre használjuk. A jövő magfúziós erőműveiben ezzel szemben kisméretű atommagokat próbálunk egyesíteni. Miért sokkal könnyebb az egyik, mint a másik?

Homonnay Zoltán többször is a természet ajándékának nevezi a maghasadás egyes körülményeit, amelyek lehetővé teszik az ember számára, hogy energiát termeljen. James Chadwick angol fizikus 1932-ben fedezte fel a neutronok létezését, amelyek megfelelő használatával a maghasításokat el lehet érni, az amerikai hadsereg pedig már 13 év múlva le is dobta az első atombombákat, majd az atomerőművek már a hetvenes években elindultak. Ez az elméletek szélvészgyors gyakorlati megvalósítása volt.

Miért nem megy ugyanez a tempó magfúziós erőművekkel? Ezekről már 70 éve is azt mondták, hogy 30 év múlva működni fognak, de ahelyett, hogy 40 éve mennének, ma is azt mondják, hogy ez csak 20-30 év múlva reális.

A magfúziós erőműhöz azt kell megoldani, hogy két proton egyesüljön, és végső soron létrejöjjön a két protonból álló úgynevezett alfa részecske (a hélium magja). Ennél a folyamatnál az energianyereség hasonló, sőt kis mértékben még nagyobb is, mint a maghasadásos atomerőműveknél, vagyis körülbelül 50 milliószor több energia keletkezik, mint amikor például egy hagyományos erőműben szenet égetnek.

Magfúzióhoz azonban a protonokat fel kell gyorsítani olyan sebességre, hogy amikor közel kerülnek egymáshoz, akkor a magerők hatni kezdjenek. Ezek az erők fogják egymásba szippantani a két részecskét, csakhogy a hatótávuk körülbelül 1 femtométer, azaz 0,00000000000001 méter. (Maghasításnál épp ellenkező a feladat, ott le kell lassítani a semleges töltésű neutronokat, amelyekkel a magot bombázzák, és ez technikailag jóval könnyebb feladat.)

A kísérletek nem önálló protonokkal folynak, mert jóval kisebb energiabefektetés kell az eredményhez, ha nagyobb részecskékből (deutérium és trícium magokból) indulnak ki. A Napban 16 millió fokon^*Kelvin fokról van szó, de ebben a nagyságrendben laikus szövegben ennek nincs jelentősége, mert 16 millió Kelvin 15,999726 millió Celsius fokkal egyenlő. végbemegy az egyesülés, a Földön azonban 100 millió fok is kellhet hozzá. Ez azért van, mert a Napban óriási nyomás biztosítja, hogy a részecskék kellő mennyiségben ütközhessenek egymással (nagy nyomás alatt kisebb térfogaton jóval több részecske van), ám ez a Földön értelemszerűen nincs meg. Ennek hiányában a reakció kellő hatékonyságát csak a hőmérséklet nagy emelésével lehet elérni.

Egy magfúziós reaktorban ilyen hőmérsékleten minden plazma állapotban van, ami leegyszerűsítve azt jelenti, hogy még együtt van az anyag, de részecskéire bomlik szét. Mivel ezek a részecskék így már önálló töltéssel is rendelkeznek, ez pont kapóra jön, mert mágneses térbe helyezhetik őket, és ezzel egyrészt el lehet érni, hogy együtt maradjon az anyag, de távol maradjon a reaktor falától. A fal készülhet tipikusan wolframból, de ha a plazma ehhez hozzáér, akkor a hőátadás miatt azonnal lehűl, és a reakció leáll. A reaktorban tehát mágneses térben „lebeg” a Napnál is forróbb anyag, amelynek összetevői,a deutérium és a trícium magjai reagálnak egymással.

Míg bent a reaktorban 100 millió fokban lebeg a plazma, a tőle 80 centiméterre elhelyezett mágnesek 4 Kelvinen, azaz mínusz 269 Celsius fokon végzik a dolgukat. Ez ma már valóság.

Hogy veszik ki az energiát ebből a szerkezetből? Ahogy fentebb írtuk, a reaktorban tipikusan egy deutérium és egy trícium magja egyesül, és egy alfa részecske, illetve egy neutron keletkezik. Mivel a képződő neutronok (mint minden neutron) semlegesek, ezért rájuk nem hatnak a mágnesek, és ki tudnak szabadulni a plazmából. Márpedig a reaktort tipikusan lítium burok veszi körül, és a kiszabaduló neutronok a lítium egyik izotópjával reagálnak. Ennek két terméke van: megint csak alfa részecske, illetve trícium. Vagyis a rendszer megtermeli a saját kiindulási anyagának egyik nagyon fontos elemét, a tríciumot (a deutérium előállítása pedig régóta hétköznapi gyakorlat az iparban, azzal ilyen probléma nincs).

Az energia, amit ki lehet venni a rendszerből, nem a reaktor belsejében végbemenő folyamatban, hanem a lítiumburokban, a fent leírt lítiumos reakció eredményeként termelődik. A burokba lehet tehát bevezetni a vizet, amely felforrósodik, és amely innentől kezdve már egy egyszerű gőzturbinával és generátorral áramot termelhet.

Ez azonban azt is jelenti, hogy mivel a lítium reakciója termeli a kinyerhető energiát, a magfúziós erőmű tényleges üzemanyaga a lítium, hiszen azt kell folyamatosan pótolni, mert folyamatosan elfogy a rendszerből, amikor reagál a neutronnal. Ez aztán persze további kérdések sokaságát veti majd fel, hiszen a lítium bányászata körül már most, az akkumulátorok kapcsán is sok a kérdőjel.

Mindehhez a fizika régen kész van

– mondta Homonnay Zoltán.

Megfelelő pontossággal ma már azt is ki lehet számolni, hogy egy adott mennyiségű plazmában mennyi ideig megy a fúzió. Minél nagyobb a reaktor, annál hosszabb ideig lehet a fúziós reakciót fenntartani, vagyis a gyakorlati megvalósításban a méretnek óriási szerepe van. Maghasadással laborkörülmények között, kis méretekben is jól lehet kísérletezni, ez megint egy döntő különbség a két eljárás között.

A bonyolultság mellett a nagy méret szüksége az, ami drágává és hosszúvá teszi a kísérletezést.

A maghasadásos atomerőművekkel szemben a magfúziósnak lenne egy hallatlan előnye: lényegében nincs vele sem biztonsági, sem környezetvédelmi kockázat. Ha a fúzió valamiért leáll, akkor szinte nem történik semmi. Nem szabadulnak fel káros anyagok, nincs túlmelegedés, nincs robbanás és szinte nincs sugárzás sem. A reakció leáll, és ezzel leáll az áramtermelés is, de más lényeges káros következmény gyakorlatilag nincs.

A wolfram elemeket ugyan a tervek szerint ötévenként kell majd cserélni, és ezek radioaktív hulladékok lesznek, de a mennyiség összehasonlíthatatlanul kisebb, mint a jelenlegi atomerőműveknél.

Ráadásul, mivel magfúziós erőművet az említett méretproblémák miatt nem lehet kicsiben építeni, jelenleg úgy néz ki, hogy egy-egy reaktor legalább akkora lesz, mint a paksi atomerőmű fele.

Hátrány ugyanakkor, hogy a magfúziós erőmű nem folyamatosan, hanem szakaszosan működik, vagyis rövid idők alatt óriási mennyiségű áramot fog termelni, de a termelési idők között semmit, és ennek kezeléséhez az elektromos hálózat működését alapjaiban kell majd átgondolni.

Hogy mikor lesz mindebből hétköznapi valóság, azt ma ugyanolyan nehéz megmondani, mint évtizedekkel ezelőtt, de Homonnay Zoltán szerint biztató például, hogy egy ideje Kína is beszállt a fejlesztésbe, rögtön három projekttel. Az egyik reaktorban 101 másodpercig tudtak tartani egy plazmát 120 millió fokon, a másikban 20 másodpercet értek el 160 millió fokon, a harmadikban pedig 1056 másodpercig tartottak fenn plazmát 70 millió fokon. A plazmahevítés csúcsát jelenleg a japánok tartják, 522 millió fokkal.

Az energiatermelés indítását a kínaiak most 2040-re ígérik, de ezt ma már mindenki csak akkor fogja elhinni, ha megtörtént.

G7 támogató leszek! Egyszeri támogatás / Előfizetés

Élet Tech atomerőmű előadás elte energia energiatermelés Homonnay Zoltán magfúzió Olvasson tovább a kategóriában