Az épülő ITER. (Kép: ITER Organization/EJF Riche)

2010-ben jártam Dél-Franciaországban, Cadarache-ban, ahol az ITER (International Thermonuclear Ex­pe­ri­mental Reactor; Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor) kísérleti fúziós erőmű építését mutatták be a médiának. A berendezés azóta sem készült el. Legutóbb azt olvastam, hogy 2025-ben adják át. Tartható ez a dátum?

– Hihetetlenül bonyolult kísérleti berendezésről van szó, amihez hasonlót eddig nem épített az emberiség. Éppen a nagyság nehezítette meg a kivitelezést, mert előre nem látott műszaki problémákat kellett és kell megoldani. Az utóbbi időszakban a vákuumkamra elemeinek a gyártása okozott nehézséget. Számomra is meglepetés ez a probléma, hiszen jó ideje készítünk acélból tartályokat. Csakhogy ez nem egyszerű tartály.

Hihetetlenül bonyolult kísérleti berendezésről van szó, amihez hasonlót eddig nem épített az emberiség.

Amikor a probléma szó elhangzott, az ugrott be, hogy biztosan a 910 tonnás, 18 méter magas elektromágnesről lehet szó…

– Az elektromágnesekkel nincs gond. A helyszínen összeállított hatalmas mágneseket tesztelték, és mindent rendben találtak. Az előző kérdésre visszatérve, évek óta tudjuk, hogy nem tartható a menetrend. Az idén elfogadott új szcenárió szerint 2034-ben állítják elő ott az első plazmát. Azonban fontos tudni, hogy a 2034-ben elinduló ITER nem az az ITER lesz, amelyet 2025-ben akartak üzembe helyezni. Sokkal jobban lesz felszerelve, illetve képes lesz a maximális áramú üzemmód elérésére. Előny az is, hogy addig lesz idő minden tekercset letesztelni. A folyékony héliumos hűtőrendszerben például előjöhetnek olyan szivárgások, amelyek csak a teszteléskor lépnek fel. Ki kell deríteni, hogy 4 kelvinen hogyan működnek a tekercsek. Ha ugyanis egy tekercs kiesik, leáll a berendezés, hiszen nem épül fel az a mágneses tér, amely a magfúzióhoz szükséges plazma egyben tartásához kell. 2025-ben egy csaknem üres berendezést avattak volna fel, 2034-ben már fúziós hőmérsékletű plazmánk és aktívan hűtött belső falunk lesz. Ez így már nem akkora késés, mert az eredeti koncepció alapján is először 2035-ben került volna sor a deutérium és a trícium fúziójára.

Közel két éve a vákuumtartály összeszerelését leállították, amikor az ITER-tokamak vákuumtartályának szektoraiban és hőpajzsában hibákat észleltek. A javítások elvégzése után a vákuumtartály összeszerelése idén szeptemberben indult újra. A méretet jól érzékelteti a vákuumkamrába benyúló emelőkosár. A teljes berendezést kilenc szektorból fogják összeállítani. (Kép: iter.org)

Itt az ideje, hogy tisztázzuk, mi történik majd a fúziós erőműben?

– A Napban a fúziós reakció alapanyaga a hidrogén. A Földön a fúziós reakcióban deutériumot, azaz „nehézhidrogént”, illetve tríciumot, vagyis „szupernehéz” hidrogént használnak. A reakció eredményeként a Földön ugyanúgy hélium, és elképesztő mennyiségű energia keletkezik, mint a Napban.

A Földön a fúziós reakcióban deutériumot, azaz „nehézhidrogént”, illetve tríciumot, vagyis „szupernehéz” hidrogént használnak.

A fúziós erőművek melletti egyik érv, hogy nem termel hulladékot, és a fúzióhoz szükséges alapanyagból is bőségesek a készletek. Valóban így van?

– Az energiatermeléshez szükséges reakciók – az egyik a deutérium-trícium fúzió, a másik a trícium tenyésztése lítiumból neutron segítségével – végterméke a stabil hélium. Ennél kellemesebb végtermék nem képzelhető el. A maghasadáson alapuló erőműveknél, technológiai okokból, jóval több üzemanyagot használnak fel, mint amennyi valóban felhasználódik. A fúziónál szinte minden egyes tríciumból és deutériumból hélium lesz. Újabb érv a fúzió mellett.

A kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium kutatói 2023-ban olyan magfúziós reakciót hoztak létre, amely több energiát termelt, mint amennyit befektettek a folyamat beindítása során. 192 lézersugár segítségével fűtöttek fel körülbelül 2 milliméter átmérőjű kapszulát, amely a hidrogén két izotópjából, deutériumból és tríciumból álló üzemanyaggal volt megtöltve. Ez az eredmény hasznosítható Cadarache esetében?

– Nem, két eltérő megközelítésről van szó. Az ITER Cadarache-ban folyamatos üzemmódban működik majd. A plazmát felfűtik, utána folyamatosan működtetik, miközben az üzemanyagot pótolják, illetve a keletkező héliumot elvezetik. Hátradőlünk, és örülünk a folyamatosan termelődő energiának. Az amerikai kísérlet az úgynevezett impulzus-üzemmódú fúzió egyik előtesztje. Ebben az esetben lézerrel vagy más megoldással összenyomják az üzemanyagot, majd elindítanak benne egy égési frontot. Amint elég az üzemanyag, kezdődik minden elölről. Az amerikaiak heti egy-két beindításnál tartanak, ami közel sem folyamatos üzemmód. A tradicionális elképzelés szerint másodpercenként tíz berobbantás jelentene közel folyamatos üzemmódot. A jelenlegi helyzetben ez nagyon gyorsnak tűnik, hiszen egy robbanás után visszamaradó anyagfelhő zavarja a következő indítást. A lézernek át kell jutnia ezen a felhőn, márpedig a lézer nem kedveli, ha az útjába bármilyen szennyeződés kerül. Én a valódi folyamatos működés híve vagyok, mert a beindítás után lényegében nincs szükség fűtőrendszerekre. Az impulzusüzem esetében mindig külön fel kell fűteni az üzemanyagot, akár másodpercenként tízszer.

Az ITER tekercseiben használt szupravezető szálköteg. Üzem közben 4 kelvin hőmérsékletre hűtik majd a középső csatornában áramoltatott folyékony héliummal. (Kép: iter.org)

A fúziós kísérletek célja, hogy az emberiség hasznosíthassa a Napot és a csillagokat működtető fo­lyamatot, ami az atommagok nagy energiafelszabadulással járó egyesülése. A Nap 15 millió Cel­­sius-fokon működteti ezt a folyamatot, a földi fúzió ellenben 150 millió Celsius-fokon történne. Miért van szükség a tízszeres hőmérsékletre?

– Alapvetően azért, mert a Napban nagyon lassan megy végbe a fúzió. Csillagunk nagyjából tízmilliárd év alatt égeti el üzemanyagát, ami nekünk jó, ugyanis elegendő időt – ötmilliárd évet – hagyott arra, hogy az emberiség kifejlődjön, és ugyanennyi időnk van arra, hogy rájöjjünk, hova menjünk, ha a Napnak majdan vége lesz. A mohó emberiség azonban nem elégszik meg a csillagunkban zajló magfúzió sebességével. Csak egy példa: az emberi test sokkal hatékonyabban termeli a hőt, mint a Nap. Mi azonban azt szeretnénk, ha nem a szobába zárt emberektől várnánk el a helyiség felfűtését. A Nap üzemanyagaként szolgáló hidrogén csak protonból áll, a folyamat végén keletkező héliumban ellenben neutron is található. A Napban a protonból neutron előállítása megy nagyon lassan. A Földön eleve olyan üzemanyagot – deutériumot és tríciumot – használunk, amelyben proton és neutron egyaránt van. A kérdésre válaszolva: azért van szükség a tízszeres hőmérsékletre, hogy rövid idő alatt jelentős mennyiségű energiát termeljünk.

A mohó emberiség azonban nem elégszik meg a csillagunkban zajló magfúzió sebességével.

Hogyan lesz a keletkező energiából elektromos áram? Itt is vizet forralunk, mint az atomerőművekben?

– Többféle megoldás is felmerült – időnként felvetődik a közvetlen villamosenergia-kicsatolás ötlete, de ez nem tűnik életképesnek –, azonban mindig arra a következtetésre jutottak a szakemberek, hogy mivel meglehetősen nehéz kellően stabil állapotban tartani a plazmát, éljünk a kézenfekvő megoldással, azaz a vízhűtéssel. Ezzel hűtik a berendezés, nagy valószínűséggel volfrámból készült falát, ami „ránéz” a plazmára. Eredetileg berilliumból akarták a fal nagy részét elkészíteni, de éppen az ITER fejlesztése során derült ki, hogy nyugodtan gyárthatják a sokkal jobb tulajdonságokkal rendelkező volfrámból a falat. A keletkező energia egy részét a héliumatommagok a plazmában rakják le, másik részét a fúzió során felszabaduló nagyon kemény neutronok adják. Ezek szilárd anyagban is nagyon lassan fékeződnek le, de a víz ebből a szempontból is kiváló, hiszen a hidrogénmagokon relatíve gyorsan lelassul a neutron. A víz zseniális hűtőközeg, mert óriási a fajhője, nagyon jó a hőátadási tényezője. Egyetlen baj van vele, hogy viszonylag kis hőmérsékleten felforr. Ez a probléma kellően magas nyomással kezelhető. A szekunder körben keletkező vízgőz pedig turbinákat hajt meg.

A fokozott hőáramú első fali takarópanel (berillium páncéllemezekkel) teljes méretű prototípusát egy minősítési program részeként a szentpétervári Efremov Intézetben gyártották és tesztelték. A szakemberek idén nyáron megkezdték a volfrám takarópanel validálására irányuló minősítési programot. (Kép: iter.org)

Ha ennyire bonyolult a megépítése, miért van szükség fúziós erőműre?

– Az elektromos energiát termelő rendszereknek pontosan annyi energiát kell előállítaniuk, amennyit az emberiség igényel. A villamos energia tárolására léteznek ugyan megoldások, de kellenek olyan berendezések, amelyek könnyen és gyorsan szabályozhatók. Az atomerőművek is ebben az irányban fejlődnek, de látni kell, hogy ezek üzemanyaggal való ellátása hosszú távon problémákba ütközhet. Emellett a maghasadás során több mint 250, nehezen kezelhető izotópra eshet szét az atommag. Ezeknek az izotópoknak a zöme radioaktív. A kiégett fűtő­elemben ezek az egyébként hasznosítható izotópok a lehető legjobban összekeveredtek. Kinyerésük ma még nehezen megoldható, pár száz év múlva talán könnyebb lesz. Ráadásul, ahogy most használjuk az uránt, az pa­zarló. Feldúsítjuk, hasznosítjuk a hasadóképes izotópok pár százalékát, majd a kiégett fűtőanyagot valahol tá­roljuk. Sok urán van a Földön, de ha az egész emberiség az urán maghasadásával nyert elektromos áramot használna a jelenlegi technológiával, akkor a készletek száz év alatt elfogynának. A fúziós erőművek esetében nincs kiégett fűtőelem, emellett az üzemanyaggal való ellátásuk is megoldott, hiszen a tengerek lítium- és deutériumkészlete legalább tízezer évre elegendő. Ehhez az üzemanyaghoz a világ országainak többsége hozzáfér – mi éppen kimaradunk ebből a körből. Azaz, nem csupán pár helyről szerezhetjük be a fúziós erőművek üzemanyagát, mint az uránt.

Ahogy most használjuk az uránt, az pazarló. Feldúsítjuk, hasznosítjuk a hasadóképes izotópok pár százalékát, majd a kiégett fűtőanyagot valahol tároljuk.

Ha minden felmerülő problémára megoldást találunk, mikor épülhet meg az első olyan fúziós erőmű, amely folyamatosan elektromos áramot állít elő?

– Erre senki sem tud biztos időpontot mondani. Az ITER kísérleti berendezés, eleve nem arra tervezték, hogy a hálózatra elektromos áramot termeljen. Az első olyan fúziós reaktort, amely a plazmában pozitív energiamérleget mutat fel, egy magáncég építi az Egyesült Államokban. A SPARC nevű eszköz eredetileg 2025-ben indult volna el, de ezt az időpontot kétkedve fogadom, még ha a fejlesztés jelentős részben a világ egyik legjobb egyetemén, a Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) folyik. A fejlesztők egy izgalmas megoldással igen nagy mágneses teret hoznak létre, ennek köszönhetően egy nagyobb szobában is elférne egy kisebb fúziós eszköz. A BEST nevű berendezésüket a kínaiak 2027-ben indítanák el – ennél már ott van a gőzfejlesztő, a generátor és az összeköttetés az elektromos hálózattal. Azt nem hiszem, hogy a kínaiak több energiát termelnének, mint amennyi a fúzió fenntartásához kell, ám ez egy olyan kísérlet, amelynek részeként demonstrációs céllal állítanának elő elektromos áramot. Az Egyesült Királyság STEP nevű programja lehet az első, amelyik pozitív energiamérleggel működne. Azaz, több energiát állítana elő, mint amennyi a működtetéséhez kell.

A Commonwealth Fusion Systems által épített SPARC szupravezető tokamak lehet az első hosszú impulzusú fúziós berendezés, amely pozitív plazma energiamérleget demonstrál. (Kép: https://cfs.energy)

Mi magyarok mit tudunk hozzáadni a világ fúziós kísérleteihez?

– Magyarországon 1998 óta nincs mágneses összetartású kísérleti fúziós berendezés. Addig egy kicsi, szovjet gyártmányú tokamak működött a KFKI-ban (a Központi Fizikai Kutatóintézetben – a szerk.). Az élet azonban nem állt meg – a 2000-es évek elejétől az európai fúziós programokba integrálódtunk. Szerintem az utóbbi lépés jó döntés volt, mert olyan berendezések fejlesztésében vehetünk részt, amelyek valóban a világszínvonalat kép­viselik. Jelenleg az a magyar fúziós program filozófiája, hogy egyes specializált technológiákat nagyon jól csinálunk, azokat beépítjük a világ legjobb berendezé­seibe. Azzal, hogy az a műszer ott van, és mi értünk hozzá, beemeltük magunkat a kísérleti programba is.

Erről egy 2015 végi esemény jut eszembe, amikor elindult a világ legnagyobb sztellarátor típusú fúziós kísérlete, amelyhez magyar kutatók és mérnökök tíz kamerából álló intelligens megfigyelőrendszert fejlesztettek. Néhány hónappal később, 2016 elején Angela Merkel német kancellár is a magyar kamerákon keresztül látta az első hidrogénplazma-kisülést. Ez a németországi Greifswaldban lévő kísérleti fúziós reaktor, a Wendelstein 7-X, amelyet a világ egyik legbonyolultabb fúziós berendezésének tartanak. Mit kell tudni erről az eszközről és a magyar kamerákról?

– A Wendelstein 7-X a szabályozott magfúzió létrehozásához erős mágneses terekkel tartja össze a plazmát. A kísérleti fúziós reaktor működését a HUN-REN kutató­intézeteiben kifejlesztett EDICAM néven ismert intelligens kamerarendszer felügyeli. A rendszer feladata, hogy a fúziós szerkezetet megvédje a károsodástól az esetleges meghibásodások esetén. A kamerák a berendezés teljes belsejét figyelik, illetve képesek az egyes kritikus területek külön monitorozására, valamint az adatok valós idejű feldolgozására. Ezek a kamerák azóta is kiválóan működnek. A tavaly decemberben felavatott, európai és japán összefogással Nakában épített, JT–60SA kísérleti fúziós berendezés esetében szintén ez a magyar fejlesztésű in­telligens kamerarendszer segíti a fúziós folyamatok meg­értését. Vagyis kifejlesztettünk egy kulcstechnoló­giát, amely annyira jó, hogy azt eladtuk több helyre. Az egyik a világ legnagyobb szupravezető tokamakja, a másik a világ legnagyobb szupravezető sztellarátora.

A HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont munkatársai a magyar fejlesztésű EDICAM kamera felvételeit mutatják japán kollégáiknak a JT–60SA tokamaknál. (Kép: HUN-REN EK)

A tavaly decemberben felavatott, európai és japán összefogással Nakában épített, JT–60SA kísérleti fúziós berendezés esetében szintén a magyar fejlesztésű intelligens kamera­rendszer segíti a fúziós folyamatok megértését.

Másik ilyen technológia az atomnyaláb-emissziós spektroszkópia. A mérés fizikai elve, hogy a plazmába belőtt nagy energiájú atomnyaláb atomjai a plazma elektronjaival való ütközések folyamán gerjesztődnek, majd karakterisztikus fotonokat emittálnak. Az emisszió méréséből a plazma lokális sűrűségére tudunk következtetni. A diagnosztika működését a BME Nukleáris Technikai Intézetében fejlesztett RENATE és RENATE-OD szimulációs programcsomagok segítik. Ha ügyesek vagyunk, két dimenzióban, mikroszekundumos felbontással mérjük a sűrűségváltozásokat. Ezzel kicsiny turbulens áramlást is detektálhatunk a plazmában. Ezt a technológiát el­adtuk Európán kívül Kínába és Dél-Koreába. Ezen a téren gyakorlatilag nagyhatalomnak számítunk.

Az ITER esetében több specializált mérnöki rendszer építésébe kapcsolódtunk be. Például mi magyarok oldottuk meg, hogy miként rögzíthetők vezetékek a vákuumkamrára. A HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont (EK) Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának szakemberei pe­dig rekordidő alatt tervezték, építették meg és helyezték üzembe a berendezés biztonságos és gyors leállítását szolgáló kísérleti pelletbelövő rendszert. 2022 nyarán a világon elsőként készítettek és lőttek ki olyan hidrogén­jég-lövedékeket, amelyeket később az ITER-ben is használnak. Azaz, nincs saját fúziós berendezésünk, de meghatározó a szerepünk a világ legfontosabb fúziós kísérleti eszközeinek a fejlesztésében.

A hazai fúziós fizika Budapestre koncentrálódik, vagy léteznek vidéki bázisok is?

– A főváros a centrum. A HUN-REN EK-ban két laboratórium foglalkozik ezzel – ott koncentrálódik a legtöbb szakember. A BME-en alapvetően oktatással, elméleti kutatással és szimulációval foglalkozunk – sok-sok hallgatóval. Egyes kérdésekben a debreceni HUN-REN ATOMKI is bekapcsolódik a munkába.

A nehézségek ellenére lát esélyt arra, hogy lehozzuk a Napot a Földre?

– Azt biztosan állítom, hogy tudományos (fizikai) korlátja nincs a magfúzióval történő energiatermelésnek. A mérnöki kihívások leküzdése gyakorlatilag pénz és idő függvénye. Ha kitartóan akarjuk, és „beleöljük” a szükséges energiát és anyagi forrást, lesz fúziós erőmű. Azt nem tudom megmondani, hogy mikor érjük el ezt a célt, de abban biztos vagyok, hogy ha egyszer elérjük, akkor ezt a technológiát legalább ezer évig használni fogjuk.•

Címlapkép: ITER Organization/EJF Riche