Egyre több helyen villan fel a mesterséges nap

Nem túl közeli, de a belátható jövő ígérete az a fajta energiatermelés, amelyben az energia a könnyű atomok egyesülésekor szabadul fel. Pont úgy, mint a Napban. Központi csillagunkban másodpercenként 600 millió tonna hidrogénből 596 tonna hélium keletkezik, a különbözetüket jelentő négymillió tonna anyag pedig egymilliószor egymillió terawattóra energiának felel meg.

Ez durván az egymilliószorosa a világ éves energiaigényének. A Napban zajló folyamatot már a negyvenes évek óta próbálják a tudósok földi körülmények között lemásolni. Világszerte számos országban folynak önálló, illetve együttműködések keretében zajló kísérletek. Magyarország elsősorban a franciaországi ITER nemzetközi konzorcium munkájában vesz részt.

Kihívások tömegére kell választ találni

Nem véletlen, hogy még senki nem állt elő a végleges megoldással. A 150 millió Celsius-fokos (ami tízszer nagyobb a Nap magjáénál) hőmérséklet előállításán és fenntartásán kívül számos megoldhatatlannak tűnő műszaki nehézséget kell megoldani a környezetkímélő, fenntartható, ezért a jelenleg elterjed hasadásos elvű (fissziós) nukleáris termelésnél vonzóbb fúziós energiatermelés érdekében. Ráadásul a folyamat egyelőre több energiát emészt fel, mint amennyi előállítható vele, és még akkor sem érnek révbe a kísérletek, ha már nettó energiatermelő a fúziós berendezés. A folyamathoz használt neutronok ugyanis rendkívüli mértékben károsítják a reaktort. A technológia kihívásait a Nemzetközi Atomenergia-ügynökség (IAEA) szedte csokorba a 2023-as kiadványban. A kihívások a következők:

• el kell érni és fenn kell tartani a plazma 100 millió Celsius-fok feletti hőmérsékletét;
• a forró plazmát a reaktor magjában kell tartani;
• meg kell találni a fúzióhoz leginkább alkalmas olyan anyagokat a reaktor fala és edénye számára, amelyek ellenállnak az extrém körülményeknek;
• ki kell választani a fúziós üzemanyagokat, illetve kidolgozni a fúziós tüzelőanyag trícium komponensének előállítását;
• ki kell tudni nyerni az előállított energiát, majd elektromos árammá kell alakítani;
• meg kell oldani a létesítmény karbantartását.

Az ITER-re még várni kell, az orosz projektet sem holnap akarják átadni

Így azután egyre későbbre tolódik az említett ITER-projekt során épülő kísérleti fúziós reaktor átadása. A mostani állapot szerint az „első plazmát”, vagyis a reaktor tényleges működését 2035-re ígérik, azonban küszöbön áll a beruházás ütem- és költségtervének frissítése. Az ITER reaktora egyébként ugyanazon az eredeti elven működik, amelyen a világszerte folyó legtöbb fúziós kísérlet, az orosz tokamakén. (A tokamak mozaikszót a tóruszkamra mágneses tekercsekkel orosz nyelvű kifejezésből alkottak.) Az oroszországi kutatás a Kurcsatov Intézetben zajlik, az orosz fúziós reaktor pedig 2050-re ígér áramot, erről a napokban az orosz atomipart összefogó Roszatom vezérigazgatója, Alekszej Lihacsov beszélt a Szocsiban tartott Atomexpón. Oroszország az ITER-projektnek is tagja, de az orosz tudósok alkalmazását az ITER tanácsa szünetelteti az ukrajnai háború miatt. Ez a döntés fékezi a nemzetközi együttműködést, az oroszországi kutatásokat pedig magára hagyja.

Egyre-másra születnek az eredmények

A legfrissebb hírek azonban nem Franciaországból vagy Oroszországból, hanem például Németország érkeztek. A World Nuclear News azt írta, hogy Németországban 2040-ig fel kívánnak építeni egy fúziós reaktort, és ehhez már finanszírozási programot is rendeltek. A kutatások a Max Planck Plazmafizikai Intézetben, a Karlsruhei Technológiai Intézetben és a Jülich Kutatóközpontban folynak. Tavaly szeptemberben már jelezték, hogy Németországban a következő öt évben újabb 370 millió euró jut a fúziós kutatásokra, amelyekre 2028-ig összesen már több mint 1 milliárd euró költhető.

Tavaly decemberben Japánból jelentették, hogy felavatták a Nakában épült JT-60SA kísérleti fúziós berendezést. Ebben a tokamakban a fúzió 200 millió Celsius-fokos plazmában zajlik majd. A projekt sikeréhez magyar fizikusok és mérnökök is hozzájárultak, erről akkor Horváth Ákos, a HUN-REN EK főigazgatója nyilatkozott. 

A JT-60SA, az Európai Unió és Japán között aláírt Broader Approach megállapodás eredménye. Építése 2007-ben kezdődött, összeszerelése 2020-ban fejeződött be. Azóta számos technikai fejlesztés történt, az első plazmakísérleteket 2023. október végén végezték. A projekt összköltsége az építési fázisban – jelenlegi értéken – körülbelül 560 millió euró, amelyet Európa és Japán közösen finanszírozott.  

Már az űrutazásban is bevetnék a mesterséges nap energiáját 

Arról is a múlt év végén érkezett hír, hogy a Helicity Space befektetőként 5 millió dollárt ad az űrutazásokhoz használt fúziós hajtómű koncepciós változatának a kifejlesztésére. A cég egy 2018-ban alapított kaliforniai székhelyű startup, amely a közelmúltban sikeresen bevonzott 5 millió dollárnyi finanszírozást, a pénz legnagyobb része az Airbus Venturestől érkezett.  

Az viszont már nem terv, hanem érdemi előrelépés volt, hogy decemberben az amerikai Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a világon elsőként érte el az úgynevezett begyulladási állapotot, vagyis azt, hogy a fúziós reaktor már több energiát termel, mint amennyire a fúzió beindításához szükség volt. Azóta háromszor sikerült megismételni a forradalmi áttörést. Az LLNL nem a tokamak elvén működik, hanem a „belövős” vagy inertial confinement fusion (ICF) módszerrel, amelyben a fúziót termonukleáris gyorsulással érik el. Ilyet egyébként tavaly áprilisban a kínai mesterséges nap is produkált: 403 másodpercen át sikerült fenntartani a forró plazmát a Hefej tartományban épített kísérleti tokamakban ((EAST). Az eredményt az ITER-rel való együttműködésnek köszönhetően érték el.

A múlt héten jelentették be, hogy a Koreai Fúziós Energia Intézet (KFE) új rekordot állított fel Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) fúziós reaktorával: most először érték el a Nap belső hőmérsékletének hétszeresét, 100 millió Celsius-okot. A hőmérsékletet 48 másodpercig tudták fenntartani. Az intézet még 2007-ben építette meg a KSTAR-t, amelynek a tesztje 2023 decembere és 2024 februárja közötti tartott. (A Nap magjának hőmérséklete 15 millió Celsius-fok.)

A magánszféra türelmetlen

A brit kormány tavaly februárban jelezte, hogy 2027-ig 650 millió fonttal segíti a helyi fúziós reaktor építését, amelynek 2040-re kell megépülnie. Az állami források mellett azonban a magántőke is egyre inkább áramlik a szén-dioxid-kibocsátástól mentes energiával kecsegtető területre, gyorsabb eredményt várva. Demo néven létre kívánnak hozni egy demonstrációs fúziós erőművet, mégpedig évtizedekkel korábban, mint ahogyan a közpénzekből finanszírozott változatok születnének. A Fusion Industry Association által megkérdezett 31 érintett befektetőből 19 már 2035-re fúziós energiát remél.

Kezdeményezésük tavaly 6,2 milliárd dollár befektetést vonzott a Nemzetközi Atomenergia-üÜgynökség 2023-as összefoglalója szerint, 1,4 milliárddal többet, mint az előző évben. A kezdeményezésben 43 cég vesz részt a világ minden részéről. A cégek fele amerikai, de van köztük ausztrál, kanadai, kínai, francia, német, olasz, japán, új-zélandi és brit is.