A tokamak

Az USA-ban gigászi lézerekkel tervezik meggyújtani a "Nap tüzét"

A tokamak magas hőmérsékletű plazma létrehozására szolgáló berendezés. Célja olyan körülmények elérése amelyben a plazma atommagjai között energiatermelésre használható gyakorisággal következnek be fúziós reakciók. E cél eléréséhez a plazma hőmérsékletnek 10-100 millió Kelvint kell elérnie ami kizárja hogy az bármilyen anyagi kontaktusban legyen a tárolóedény falával. Ennek megakadályozására a tokamak berendezés erős mágneses tereket alkalmaz.

A tokamak alapvető részei (lásd az ábrát) a tórusz alakú vákuumkamra, a toroidális tekercs, a transzformátor és további kiegészítő tekercsek. http://www.rmki.kfki.hu/plasma/fusion_sav/tokamak.h.gif

A tokamak elvi felépítése

A kamrát a kísérlet kezdetekor feltöltik a munkagázzal (általában hidrogénnel, deutériummal vagy héliummal) majd a toroidális tekercsben hajtott áram segítségével erös mágneses teret keltenek a tóruszban a cső hossztengelye mentén. Amikor a tér már felépült a transzformátor primer tekercsében egy időben lineárisan növekvő áramot indukálnak. Ez a tórusz mentén elektromos teret indukál, (a tórusz maga tekinthető a transzformátor szekunder tekercsének) és ez az elektromos tér egy gázkisülést indít meg a munkagázban amely ennek hatására gyorsan ionizálódik. Az így keletkezett plazmában a transzformátor erős áramot indukál és az magas hőmérsékletre fűti a plazmát. A plazmaoszlopnak a vákuumkamra közepén tartásához kiegészítő szabályzó mágneses tekercsek szükségesek.

Az ITER

Az erőmű, az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) helyszínéről már korábban döntöttek: a dél-franciaországi Cadarache-re esett a választás, amely a francia nukleáris kutatás egyik központja. A reaktor tényleges kivitelezését 2008-ben kezdték el, 2016-ban pedig már az első próbaüzemet is elvégezhetik.

Az ITER tágabb környezete

Amennyiben az ITER sikeres lesz, a következő fázisban már az ipari méretekben is energiát termelő erőmű, a DEMO is felépülhet, ennek várható időpontját 2025 és 2035 közé teszik a szakértők. Igaz, sokan inkább a század végére valószínűsítik a Nap energiájának megszelídítését. Az óriás-beruházás 4,7 milliárd euróba kerül, ezzel a Nemzetközi Űrállomás után a második legdrágább tudományos projekt lesz. A költségek 45,4 százalékát az Európai Unió állja, a többit a másik hat állam adja össze.

A reaktor 500 megawatt villamos energia termelésére lesz képes a fúzió 400 másodperce alatt, ennek ellenére mégsem lesz nettó áramtermelő, hiszen a fúziós működés fenntartásához folyamatosan 120 megawatt teljesítményre van szükség, a reakció beindítása pedig néhány tíz másodperces 500 megawattos lökést igényel.

A szabályozatlan fúziós energia-felszabadítást Teller Ede és csapata hidrogénbomba formájában már megvalósította, de az irányított fúzió iparszerű felhasználására optimista becslések szerint is legalább negyven-ötven évet várni kell. Ha az ITER gazdaságosan és sikeresen működne, egyetlen kilogrammnyi fűtőanyaga ugyanannyi energiát termelne, mint 10 millió kilogramm hagyományos (fosszilis) tüzelőanyag. Az ilyen erőmű sokkal tisztább lesz nemcsak a hagyományos, hanem az atomerőműveknél is, mert nincs károsanyag-kibocsátás, illetve mind az alapanyagok, mind pedig a keletkező végtermékek sokkal veszélytelenebbek az uránnál, a plutóniumnál vagy azok származékainál.

Olyan környezetbarát energia lenne, amely hosszú távon és gazdaságosan képes az emberiség egyre növekvő energiaigényét kielégíteni. Egy ilyen erőmű megépítése rendkívül költséges, de minden eddig ismert technológiánál olcsóbban szolgáltatná az energiát. Mindez igen jól hangzik ugyan, de a fúziós reaktor megvalósítása előtt még hatalmas akadályok tornyosulnak. Ahhoz, hogy kontrollálni tudják a fúziót, a gázokat 100 millió Celsius fokra kell hevíteni, ami ötször magasabb a Nap belső hőmérsékleténél.

Laboratóriumi körülmények között lehetetlen előállítani a csillagokban uralkodó viszonyokat. Az ehhez szükséges technikai feltételek megteremtése óriási kihívást jelent a tudósok számára. A százmillió fokos hőmérséklet ugyanis, amelyben a hidrogén és hélium plazma formájában lesz jelen, rendkívül nehezen állítható elő, és a plazma szabályozása, körülhatárolása is csak rendkívül drága - nióbium-ón szupravezetőket tartalmazó - berendezésekkel lehetséges. A tervek szerint a plazmát mágneses mező segítségével tartanák egyben, viszont a jelenlegi anyagismereteink szerint nincs olyan anyag, amely kibírná a folyamatos és rendkívül erős sugárzást, így eddig csak néhány tizedmásodpercig sikerült fenntartaniuk a fúziót.

Bár még mindig ez a megoldás tűnik a legkecsegtetőbbnek, ugyanis ezzel a technológiával sikerült a legtöbb energiát előállítani. Az Európai Unió Oxford közelében lévő culhalmi kísérleti reaktorában (JET) 1997-ben fél másodpercre már sikerült 16,1 megawatt energiát kinyerni, igaz, ehhez 25 megawatt villamos energiát használtak fel. Az amerikai Berkeley Egyetemen viszont más módszerrel kísérleteznek: lézernyalábokkal nyomják össze és hevítik fel a lefagyasztott üzemanyagcseppeket, itt az energia-felszabadulás robbanásszerűen megy végbe.

Az ITER sikeres működésében azonban nem mindenki bízik, a kétkedők között van például Edouard Brézin, a Francia Tudományos Akadémia elnöke és a nagyhírű École Normale Supérieur elméletifizika-laboratóriumának professzora. Szerinte túl optimisták azok, akik úgy gondolják, hogy a fúziós energia ötven éven belül eljuthat az iparszerű termelés szintjére. A reaktort sokan csak presztízsberuházásnak tartják, amely más kutatásoktól vonja el a pénzt, amelyek esetleg már rövid távon is kielégíthetnék a növekvő szükségleteket.

Gőzerővel folyik az új negyedik generációs atomerőművek fejlesztése, amelyek 2030 után válthatják le a hagyományos, évtizedek óta működő és az újaknál alacsonyabb hatásfokú reaktorokat. Ezek az új, magas hőmérsékletű erőművek 50 százalékkal hatékonyabbak, biztonságosabbak és jóval olcsóbbak a jelenleg használt megoldásoknál, így ezekkel egyes vélemények szerint eljöhet az atomenergia reneszánsza. Jelenleg azonban a magas költségei miatt csak kooperációban valósíthatók meg az ilyen típusú fejlesztések

Magfúzió "szobahőmérsékleten"?

A hidegfúzió tulajdonképpen nem más, mint energia-előállítás hidrogénatommagok héliummá való egyesítésével alacsony hőmérsékleten. Ezt többféleképpen lehet elérni. A leglényegesebb probléma ezzel kapcsolatban abból adódik, hogy a hidrogénatommagokat olyan közelségbe kell juttatni egymáshoz képest, hogy az elektrosztatikus taszítóerőt legyőzze a magerő, és ezáltal létrejöjjön az egyesülés. Erre az a legmegfelelőbb megoldás, ha megszüntetjük a taszítóerőt, vegyis semlegesítjük a hidrogénprotonokat. Ez úgy lehetséges, ha a protonokat megfelelő számú elektron veszi körül. Erre a legmegfelelőbb megoldás, ha a protonokat egy fémkristályba "töltjük". Erre a célra a palládium nevű fém a legmegfelelőbb. Azonban újabb problémák merülnek fel. Egyrészt a palládium egy bizonyos protonmennyiség esetén telítetté válik, és megváltoznak fizikai tulajdonságai: rideggé, törékennyé válik. Másrészt viszont a fúzió során keletkező reakciótermék (hélium) "elfoglalja" a hidrogénprotonok helyét.

A hidegfúzióval kapcsolatos gyakorlati kísérletek elvégzése az Utah állambeli Salt Lake City-ben fekvő utahi egyetem két elektrokémikusa, Martin Fleischman és Stanley Pons nevéhez fűződik. E két kutató 1989. március 23-án sajtóértekezletet hívott össze. Kijelentették, hogy 5 éves kísérletezés után sikerült egy olyan hidegfúziós készüléket létrehozni, mely 5-ször annyi energiát termel hő formájában, mint amennyi elektromos energiát be kell fektetni a fúzióhoz, valamint a fúzió során fellépő sugárzás elhanyagolható.

Az ábrán látszik az az egyszerű elektrokémiai készülék, ami az effektus létrehozására alkalmas. A készülék lényege a rendkívül egyszerű két elektróda. Az anód (pozitív elektród) egy spirál alakú vékony platinaszál, melynek feladata az, hogy az ott kiváló oxigén maró hatásának ellenálljon. Sokkal fontosabb a negatív elektród (katód) szerepe, hiszen ez készült palládiumból. Ez egy 1cm vastag henger alakú fémkristály. Lényeges a palládium előzetes, megfelelő hő- ill. mechanikai kezelése - az eltérő kristályszerkezet, valamint a kristályban előforduló szennyezőanyagok miatt. A két kutató elektrolitként nehézvizet használt, ebbe azonban, hogy vezetőképes is legyen litium-oxid-deuterid (LiOD) nevű anyagot oldottak fel. Az eletrolitot kb. 90°C-ra melegítették fel, hogy a fúzió létrejöhessen. Az egész készüléket egy víztartályba helyezték azért, hogy a felszabaduló hőt mérni tudják.

A hidegfúziós kísérletekben az áttörést egy kívülálló megjelenése hozta: James Patterson ipari vegyész. Mivel Patterson sokat foglalkozott palládiummal, jól ismerte annak fizikai tulajdonságait. Így ő egy olyan eljárást dolgozott ki, melynek folyamán kiküszöbölhető a palládium protonnal való megtelése. Egy 1/1000 mm vastagságú palládium-lemezt használt, melyet vékony nikkelbevonttal vont be. Így a palládiumon a telítettségének hatására létrejövő repedéseken a hidrogén nem tudott eltávozni.

Patterson másik újdonsága az volt, hogy rájött arra, hogy elektrolitképpen közönséges "csapvíz" is megfelelő.

Patterson a végén már 1kW-os többletenergiát is elő tudott állítani.

Fontos felismerés született a hidegfúzióval kapcsolatosan az olasz kutatók részéről. Rájöttek ugyanis arra, hogy, ha a palládiumcella feszültségét változtatjuk, akkor a reakciótermékként létrejövő héliumot a feszültségingadozás "kisöpri" a rendszerből, ezáltal lehetőséget ad a további fúziós folyamat működésére.

Pons és Fleischman készüléke

Manapság körülbelül 200-300 kutató foglalkozik világszerte a hidegfúzió kérdésével. Ugyanakkor a kutatók két táborra oszlanak a kérdéssel kapcsolatban. Ez elsősorban abból adódik, hogy még a Fleischman-Pons effektus felfedezése idején több kutató próbálta megismételni a hidegfúziós kísérletet. Azonban a palládium, mivel fizikai tulajdonságait tekintve rendkívül "kényes" anyag, sok kutatót fullasztott kudarcba. Ebből adódóan sokan elpártoltak ennek az új energianyerési módszernek a kutatásától, mondván a hidegfúziós folyamat nem valósítható meg. Ezért e téma tekinthető elhanyagoltnak, annak ellenére, hogy még nagyon sok szabadalom vár megadásra.

Stanley Pons és Martin Fleischman

1943-ban született Valdese-ben, Észak-Karolinában. Elektrokémikus. 1989. március 23-án számolt be sajtótájékoztató keretében, Martin Fleischmannal közösen, az általuk kidolgozott, korábban teljességgel lehetetlenségnek tartott, sikeres hidegfúziós kísérleteik eredményéről.

Martin Fleischmann 1927-ben, Karlovy Varyban született, Csehországban. Szintén elektrokémikus. Az 1980-as és 1990-es években együtt dolgoztak a hidegfúzió megvalósíthatóságán, palládium elektródot használva.

Stanley Pons és Martin Fleischman sajtótájékoztatója 1989. március 23-án

Bejelentésük világszerte vihart kavart, el kellett hagyniuk az Egyesült Államokat, Franciaországban telepedtek le, ahol ipari méretekben próbáltak előállítani hidegfúzióval működő telepeket. Törekvésük – a hírek szerint – nem járt sikerrel.

Ellentmondások a kísérletek során

Fleischmann, Pons [1] és Hawkins [2] alapvető felfedezése óta, miszerint nehézvíz elektrolízisekor, ha katódként palládiumot használunk, nukleáris reakcióra kerül sor, dolgozatok százait közölték e problémáról. Martin Fleischmann és Stanley Pons elektrolízist alkalmaztak palládium elektródákon, melyeket deutériumot tartalmazó nehézvízbe merítettek. Heteken át vezettek áramot a készülékbe, időről-időre új nehézvizet használva. A deutérium nagy részéről úgy gondolták, hogy az anódon képződő oxigénnel összekapcsolódva buborékként távozott a rendszerből. A rendszer hőmérséklete az idő nagy részében stabilan 30°C volt, a távozó energia pedig egyenlő volt a bemenő energia mennyiségével. A kísérletek egy részében azonban a 30°C-os hőmérséklet hirtelen 50°C-osra emelkedett, annak ellenére, hogy a bemenő áramon változtattak volna. A felfedezés ellentétben áll eddigi ismereteinkkel, ezúttal pedig az emberiség kínzó energiaproblémáinak egyszerű megoldását ígéri. Sajnos a szóban forgó rendszer viselkedése nem egyértelmű: hozzávetőleg ugyanannyi dolgozatban (és sajtóértekezleten) számoltak be az eredeti eredmények megerősítéséről, mint cáfolatáról. A negatív tapasztalatok esetében vagy a neutronokat, vagy a tríciumot, vagy a fölös hőtermelést, vagy a magreakcióra utaló egyetlen jelzést sem sikerült megerősíteni

Igen nagy a nyomás a hidegfúzióval foglalkozó tudósokon, hiszen berendezéseik költsége szerény töredékét teszi ki az euro milliárdokért felépített gigászi szerkezeteknek. Ennek ellenére mégis vannak eredményeik, a világ minden részén lefolytatott kísérletek százai-ezrei bizonyítják az alacsony hőmérsékleteken is végbemenő magfúzió létét. Nem kell tehát évtizedekben és euro-milliárdokban gondolkodni a tiszta energia megvalósítása terén, pusztán a kísérletek finomításával tökéletesíteni kellene a már ismert eljárásokat, eljárásokat, melyeknek korábban még a hatásmechanizmusát is lehetetlennek tartották.

A legalaposabb, egy évtizedig tartó ellenőrző vizsgálatsorozatot az USA haditengerészetének űr- és tengeri hadviselési rendszerekkel foglalkozó kutatóközpontja végezte. Deutériumban dús vízben palládium-kloridot oldottak. Az oldatba vezetett elektromos áram hatására a rézből vagy ezüstből készített negatív elektródon együtt rakódott le a palládium és a deutérium. Fél óra elteltével a palládium bevonatú katód hőmérséklete 3 Celsius-fokkal magasabb volt, mint a környező folyadéké. Egyetlen magyarázat adódott: az energia valamilyen módon a katódban szabadult fel! A szokatlan jelenséget tovább vizsgálva sem találtak azonban egyértelmű kísérleti bizonyítékot arra, hogy az esetenként megfigyelt hőenergia-többlet atommagok összeolvadásából származna. A haditengerészeti kutatóintézet munkatársai óvatosan fogalmaztak, mindössze azt állítják, hogy érdekes jelenségre bukkantak, amely további tanulmányozást érdemel.

Újabb remény: buborékok

Taleyarkhan és Lahey

2002-ben az amerikai Oak Ridge nemzeti laboratórium néhány munkatársa Rusi Taleyarkhan és Richard Lahey vezetésével a rangos Science magazinban közölt cikkében azt állította, hogy a korábbitól eltérő módon, egyszerű "asztali" kísérletben sikerült termonukleáris fúziót létrehozniuk. Hengeres tartályba acetont töltöttek, ezt vették körül a folyamatokat beindító és az eredményeket észlelő berendezések. Az acetonban a hidrogénatomokat előzőleg deutériumra cserélték, vagyis a közönséges hidrogén helyébe annak nehezebb izotópja került. Az acetont hanghullámoknak tették ki, ennek hatására parányi buborékok keletkeztek a folyadékban. A buborékok később összeroppantak, ezt a folyamatot fényfelvillanás kíséri, ez az ún. szonolumineszcencia (hanggal keltett fénykibocsátás) régóta ismert jelensége.

A szonolumineszcencia jelensége

A kísérletezők a hanghullámokon kívül intenzív neutron-besugárzásnak is kitették az acetont. Állításuk szerint a neutronoktól átvett energia az acetont felmelegíti, mire az aceton párologni kezd, emiatt a parányi buborékok látható méretűre, kb. 1 mm átmérőjűre nőnek meg. Ezeknek a nagy buborékoknak az összeroppanása során lépnének fel azok az extrém, a Napban lévő viszonyokra emlékeztető hőmérsékleti és nyomásviszonyok, amelyek elengedhetetlenek az atommagok összeolvadásához.

A deutérium-deutérium fúziós folyamat kétféle módon mehet végbe: az egyik esetben a hidrogén bomlékony legnehezebb izotópja, trícium keletkezik, a másik esetben pedig nagyenergiájú neutronok lépnek ki. A kutatóknak közleményük szerint sikerült tríciumot kimutatni az acetonban, és kilépő neutronsugárzást is észleltek. Az eredmény híre a közzététel előtt gyorsan kiszivárgott. A laboratórium vezetése azonnal felkért egy másik csoportot az ellenőrző kísérletek elvégzésére. Az ellenőrző csoport ugyanazt a kísérleti berendezést használta, csak a neutronok kimutatására szolgáló észlelőrendszerük volt más. Nem találtak kilépő neutronokat, és fúzió nélkül is magyarázatot adtak az acetonban talált tríciumra.