Zoletnik Sándor

Magfúzió - energiaforrás a jövőnek

III. Mi történik 100 millió fokon?

A fúziós reakciókhoz szükséges 100 millió fokos anyagot nem lehet semmilyen tartályban tárolni, mivel annak anyaga rövid időn belül elpárologna. A Napnak könnyű dolga van, hiszen az óriási gravitációs vonzása összetartja, így a központjában ható óriási nyomás biztosítja, hogy a fúziós reakciók elegendően magas hőmérsékleten, zavartalanul termeljék az energiát. Érdemes megjegyezni, hogy összességében a Napban termelt energia igen jelentős, valójában azonban az egységnyi térfogra számolt energiamennyiség oly kevés, hogy nem is lenne alkalmas egy földi fúziós reaktorhoz. Az áhított 100 millió fokos hőmérsékleten a részecskék intenzív ütközése nemcsak a tartályt párologtatja el, de még az elektronokat is leszakítja az atommagokról, és az atomok szétesnek szabad atommagokra (ionokra) és elektronokra.

Animáció: A negyedik halmazállapot

Ezt az atommag-elektron keveréket hívjuk plazmának, ami az anyag negyedik halmazállapota. Emberi szemmel a plazmaállapot nagyon különlegesnek tűnik, pedig valójában a Világegyetem nagy része plazmaállapotban van, ugyanis a csillagok túlnyomó többsége egy plazmagömb. (A Napról és a Nap légkörében előforduló mágnesezett plazmákról Petrovay Kristóf tartott előadást a Mindentudás Egyetemén.)

A plazmák nagyon különös tulajdonságokkal bíró anyagok. Minden "normális" anyagban a részecskék töltés nélküliek, így elektromágneses terek csak gyengén hatnak rájuk. Vannak persze kivételek, de ez csak bizonyos anyagok esetében van így (pl. vasra hat a mágnes). Ezzel szemben egy plazma részecskéire erősen hatnak mind az elektromos, mind a mágneses terek. Ez a hatás ad egy eszközt is a kezünkbe: talán egy ötletesen kialakított berendezésben mágneses terekkel lehetne a plazmát egyben tartani. Az animáción egy egyszerű hideg plazma látható, amint egy mágnessel mozgatjuk.

Video: Hideg plazma mozgatása mágnesekkel

Egy másik lehetőség a fúziós reakció hasznosítására az, ha nem tartjuk egyben az anyagokat a fúzió alatt, hanem hagyjuk őket szétrepülni. Mivel egy anyagdarab szétrepülése nem következhet be végtelenül kicsi idő alatt, ezért ha elegendően nagy a sűrűsége, akkor a szétrepülését megelőző pillanatokban elég sok fúziós reakció mehet végbe, ami energiát termel. Valójában tehát egy fúziós robbantásról van szó, amelyet 1953-ban sikerült először megvalósítani hidrogénbomba formájában. Sajnos a hidrogénbombában a kellő sűrűséget és hőmérsékletet egy benne elhelyezett atombomba felrobbantásával érik el, ezért egy ilyen folyamatot nem lehet erőművi körülmények között megismételni. Vannak kísérletek, hogy pici fúziós keverékeket lézerrel vagy valami más gyújtással robbantsanak fel. Ez valószínűleg működni is fog kísérletekben, de nem világos, hogy meg lehet-e valósítani gazdaságos ipari alkalmazásként. A lézeres begyújtást az alábbi animáción is megtekinthetjük.

Animáció: Mikrorobbantásos fúzió

8. ábra

Amikor elkezdjük fűteni a plazmát, egy bizonyos hőmérsékletnél kezdenek beindulni a fúziós reakciók és rohamosan növekszik az alfa-fűtés, egészen addig, míg el nem éri a plazma hőveszteségét. Ezen a ponton a plazma begyújt, további kis hőmérsékletemelkedésre az alfa-fűtés már meghaladja a veszteséget és a hőmérséklet magától emelkedik az égési pontig. Itt viszont biztosan megáll, mivel a fúziós reakciók gyakorisága egy maximum után biztosan csökken, a veszteségek viszont mindig rohamosan emelkednek. Ez az égési pont tehát a természet törvényei miatt stabil, nekünk csak a friss üzemanyagot és a már lehűlt héliumgáz elvonását kell biztosítanunk. Nem lehet semmilyen megszaladásos baleset, amely az atomerőműveknél (főleg egyes korábbi típusoknál) valós veszély.

Ha egyszer sikerül a fúziós folyamatot fenntartani, már csak az a kérdés, hogyan lehet a megtermelt energiát kinyerni. A fúziós reakció energiáját a neutron- és a héliumatommag mozgási energiája képviseli. A héliumatommag a plazmában az alfa-fűtés révén fűteni fogja a plazmát. A neutron viszont semleges részecske, a mágneses tér nem hat rá, a plazmából szinte akadálytalanul távozik. Amint a berendezés köpenyébe jut, elkezd ütközni a szerkezeti elemek atommagjaival, így melegítve őket. Ezt a hőt valamilyen hűtőközeggel el lehet vonni, és a felforrósított hűtőanyaggal turbinákat lehet hajtani, ami a szokásos erőművi technológiákkal villanyáramot termelhet, vagy akár hidrogént az autók hajtásához.