A fúziós energiatermelés, az ITER jelenlegi helyzete

A cikk bevezető részében ismerkedjünk meg a fúziós folyamattal, amely nélkül nem lenne élet a Földön. A Nap és a csillagok belsejében ugyanis szintén ez a folyamat játszódik le, melynek eredménye a fény és a hő. A hidrogén atomok folyamatos mozgásban vannak, minél magasabb a hőmérsékletük, annál gyorsabban mozognak. A Nap magjában, ahol a hőmérséklet elérheti a 15 millió °C-ot, a hidrogén atommagok nagy sebességgel ütköznek egymással, és a könnyebb hidrogén atomokból egy nehezebb elem, a hélium jön létre. Ez a folyamat a Napban minden másodpercben lejátszódik, rendkívüli mértékű energiamennyiséget kibocsátva ezáltal.

1. ábra: A deutérium és a trícium fúziójának rajza

Az atomenergiáról a legtöbbeknek elsősorban a maghasadás (fisszió) folyamatát kihasználó atomreaktorok jutnak eszébe, hazánkban is működik ilyen létesítmény, Pakson. Az urán atommagjának (U-235-ös izotóp) hasadásakor ugyanis szintén jelentős mértékű, hasznosítható energia szabadul fel. Egyes atomok esetében azonban az atommagok összeütköztetése, fúziója során is nagy mennyiségű energia szabadul fel, mely szintén kiaknázható energiatermelési célokra. A XX. században a fúziós kutatások azonosították a leghatékonyabb fúziós folyamatot, 2 hidrogén izotóp, a deutérium és a trícium között (az izotópok azonos rendszámú, de eltérő neutronszámú, így eltérő tömegszámú kémiai elemek). Megfigyelték, hogy a deutérium és a trícium fúziójának esetén lép fel a legnagyobb kinyerhető energia a „legalacsonyabb” hőmérséklet mellett. A fúzió folyamatához (annak létrejöttéhez és fenntartásához) 3 feltételt állapítottak meg:

• rendkívül magas hőmérséklet (~150.000.000 °C [azaz a Nap központi hőmérsékletének közel tízszerese]),

• megfelelő sűrűségű plazma, mint a fúziós folyamatnak teret adó közeg

• a plazma idő- és térbeli elhatárolása, illetve összetartása.

Extrém magas hőmérsékleten az elektronok elválnak az atommagtól és a gáz úgynevezett plazmává formálódik, melyet a 4. halmazállapotként is említenek. A plazma tehát egy, a levegőnél nagyságrendekkel kisebb sűrűséggel bíró, gázokhoz hasonló, elektromos töltéssel rendelkező részecskékből álló közeg, melyet a fúziós folyamatban a részecskék ütköztetésére tartanak fenn. A felforrósodott plazma közvetlenül nem érintkezhet a berendezés falával, ezért azt elektromágneses tér veszi körül. Fúziós berendezések a sztellerátorok és tokamakok, melyek közül utóbbival foglalkozunk részletesebben. A „tokamak” kifejezés egy orosz rövidítésből származik (a berendezés az 1950-es évekbeli orosz fejlesztés), jelentése mágneses tekerccsel kialakított, tórusz alakú kamrával feleltethető meg. Jelenleg a tokamak berendezések jelentik a fúziós energiahasznosítás jövőjét, ám Európában most is találunk ilyen működőképes (kísérleti) berendezést. A JET (Joint European Torus) 1983. óta üzemel az Egyesült Királyságban, az erőmű hatalmas előrelépést jelentett a fúzió tudományos és mérnöki hátterében, megoldásaiban. A JET üzemeltetésének gyakorlati tapasztalatai szintén alapját képezték a világ legnagyobb fúziós erőművének, az ITER megalkotásának.

Az ITER egy nagyszabású projekt, mely az eddigi legnagyobb tokamak megépítését célozza meg, Dél-Franciaországban. A projektben 35 országból, mérnökök és tudósok százai dolgoznak azon, hogy az ITER úttörő segítségével a fúzió az ipari energiatermelésbe léphessen, kikövezve az utat a jövőben tervezett további fúziós erőműveknek. Fúzió esetén a cél, hogy a folyamat kezdeti energiaigényétől eltekintve a folyamat önfenntartóvá váljon, vagyis a plazma hőntartása rendre, huzamosabb időperiódusokon át a fúzió által legyen biztosítva, további külső segédenergia- vagy hőközlés nélkül. A tudományos álláspont szerint a fúzió számára a minél nagyobb kamra, vagyis a minél nagyobb plazmatérfogat a kedvezőbb. Éppen ezért az ITER tokamakjának hatszor akkora plazmatérfogatot terveztek, mint ami az említett JET-ben található. Az ITER hőhasznosítási mutatóját (Q>=10) akképp tervezik, hogy a folyamatba bevezetett energiához képest tízszer akkora kinyerhető energiateljesítmény (500 MW) álljon elő. Az ITER esetén a keletkező hőt nem alakítják majd át villamos energiává, a hangsúlyt a folyamat (deutérium és trícium fúziója) hosszú távú, biztonságos és klímasemleges fenntartására, a plazma teljeskörű felügyeletére és irányítására helyeznék. Az ITER tulajdonképpen a napjainkban működő kisebb, kísérleti berendezések és a jövőbeli, ipari méretű és célú fúziós erőművek között hivatott hidat képezni.

Az építési munkálatok egy 42 hektáros területen kezdődtek meg 2010-ben. A központi, a tokamaknak is helyet adó épületet 2020-ban adták át a berendezés összeszerelésére. Az ITER Tokamak hozzávetőlegesen 1 millió alkatrészből áll, ezek összeszerelésével párhuzamosan a kiszolgáló rendszereket (például: üzemanyag- illetve villamosenergia-ellátás, hűtési és vákuumrendszer stb.) is létesíteni szükséges. 2016-ban a szervezet közzétett egy ütemtervet az ITER megvalósítása kapcsán, az idei évben (2024. június) azonban ennek módosítására kényszerültek. A korábban meghatározott mérföldkövek tartása többek között a pandémiás időszaknak, valamint javítási munkálatoknak köszönhetően ellehetetlenült, illetve a projekt műszaki tartalma is némiképp változott. Az új ütemterv alapján a teljes mágneses tér és rendszer létrehozásában 3, a D-T fúzió működésbe léptetésében 4 éves késést vetítettek elő (a 2016-os menetrendhez képest), így előbbi 2036-ban, utóbbi 2039-ben valósulhat meg. Az ITER aktualizált ütemtervét vizsgálva nem elképzelhetetlen, hogy egyes más, magántőke finanszírozta fúziós beruházások hamarabb révbe érnek, megelőzve az ITER kísérleti erőmű üzembe lépését.

Amennyiben a további kísérletek és az ITER Projekt kedvezően alakulnak, a már áramtermelésre is képes fúziós erőművek 2050. tájára léphetnek üzembe. A cikk zárásaként a technológia előnyeit vesszük sorra. A fúziós reaktorok tüzelőanyaga hosszú távon, nagy mennyiségben áll rendelkezésre a Földön. A hagyományos, urán alapú atomerőművekkel szemben nem keletkezik jelentős mértékben sugárzó hulladék, de az egyéb károsanyag kibocsátás sem jellemző. Üzemzavar esetén továbbá a fúziós folyamat biztonságosan leállítható, a láncreakció megszakítható. A technológia főbb hátrányaiként egyebek mellett a kialakítandó hűtési rendszer műszaki korlátai, valamint a folyamat beindításához szükséges jelentős energiaigény említhetőek.