Fúziós erõmû (2005. jan. 4.)

Már évekkel ezelõtt döntés született arról, hogy nemzetközi összefogással építik föl a világ elsõ nagyméretû, valódi energianyereséget produkáló fúziós erõmûvét. (Az eddig épült kisebb kísérleti reaktorok mûködtetése több energiát igényel, mint amennyi kinyerhetõ belõlük, a fúziós folyamat fenntartása csak bizonyos méret fölött válik energianyereségessé.) Mivel az építésre eredetileg szerzõdött hat partner között patthelyzet alakult ki a helyszín kiválasztása körüli vitában - Európa, Kína és Oroszország a franciaországi Cadarache-t támogatja, Japán, az USA és Dél-Korea a Japánban található Rokkasho-t - az EU miniszterek most megállapodtak abban, hogy ha szükséges, az eredeti partnerek egy részének kiválása esetén is megépítik a 6,1 milliárd dolláros ITER kísérleti magfúziós erõmûvet az Európa által javasolt franciaországi helyszínen.
A Nap belsejében zajló hidrogén-fúziós folyamatot reprodukáló erõmûvek az egyik legnagyvonalúbb megoldást kínálják az emberiség energiagondjaira. Óriási energiamennyiség elõállítására képesek egy szinte korlátlanul rendelkezésre álló alapanyagból (hidrogén) a környezetet szinte egyáltalán nem szennyezõ módon. Az eddig megépült kísérleti reaktorok azonban kivétel nélkül több energiát fogyasztottak-fogyasztanak, mint amennyit termeltek-termelnek. (Egy részük már nem üzemel.) Megvalósulása esetén az ITER lesz az elsõ valóban energiatermelõ fúziós erõmû - tízszer több energiát termel majd, mint fogyaszt -, remélhetõleg a következõ évtizedek egyre nagyobb és tökéletesebb fúziós erõmûvei közvetlen elõfutáraként.
A Napban 15 millió fokos hõmérséklet és százezer atmoszférás nyomás alatt - plazmaállapotban - megy végbe az óriási energiafelszabadulással járó magfúzió, amelynek során hidrogénbõl hélium keletkezik. A fúziós reaktorok szintén erre a jelenségre épülnek, bár nem feltétlenül egyszerû hidrogént, hanem annak izotópjait használva. Az ITER-ben pl. deutériumot - magjában egy protonnal és egy neutronnal -, és tríciumot - egy proton, két neutron - egyesítenek majd. Az üzemanyag-utánpótlást lefagyasztva, kapszulaként lövik a reaktortérbe. Mivel a reaktorokban a százezer atmoszférás nyomás jelenleg kivitelezhetetlennek látszik, a hõmérsékletet kellett magasabbra emelni. Ezt részben mikrohullámú besugárzással, részben - a "tokomak" típusú reaktorokban legalábbis - a plazmában elektromágneses úton keltett ú.n. "plazmaáram"-mal oldják meg, az eredmény százmillió fok (!). Az iszonyú hõmérsékletû plazmát ugyanakkor a mínusz 270 fokos hõmérsékleten mûködõ szupravezetõ mágnesekkel generált mágneses erõtér tartja egyben, ami elképesztõ szigeteléstechnikai kihívást jelent.
Persze nem a szigetelés az egyetlen kényes pont a fúziós erõmûvek építésében, üzemeltetésében. A helyzetet rejtélyes - de legalábbis alig ismert, és nehezen számítható - jelenségek: mikroturbulencia, anomális transzport, stb. bonyolítják. Mikroturbulencia - a folyadékokban és gázokban is létrejövõ mikroszintû örvénylés, de itt egy meglehetõsen ismeretlen halmazállapotban, a plazmában, csak itt jellemzõ speciális tulajdonságokkal, anomális transzport - az elméletileg számítottnál jóval nagyobb hõszállítás, hõveszteség. A korábbi kísérleti reaktorokban ezek a jelenségek nemegyszer a plazma széteséséhez vezettek, nem csak a fúziós folyamat leállását, de a berendezések sérülését is okozva. A szinte külön tudományággá vált plazmadiagnosztikának - hogyan szerezhetünk adatokat egy százmillió fokos anyag belsejébõl? - csak az utóbbi néhány évben, a legmagasabb szintû számítástechnikai támogatással sikerült jelentõs áttörést elérni a plazmában zajló folyamatok leírása terén, ami a korábbinál pontosabb tervezést tesz lehetõvé.
Meglepetések még így is minden bizonnyal lesznek majd, ha az ITER - várhatóan 2015-ben - megkezdi mûködését. A nagyobb méret, az új rendeltetés - energianyereséges üzemelés - új problémákat vet föl, olyanokat is, amelyek majd csak az üzemelés közben jelentkeznek - de hát ezért is van szükség megépítésére. Az üzemeltetésében szerzett tapasztalatok teszik majd lehetõvé, hogy utódai, a várhatóan 2030 körül megjelenõ nagy teljesítményû fúziós erõmûvek már fokozatosan egyre nagyobb részt vállaljanak a világ energiaigényének kielégítésébõl.
Így néznek ki a kutatók
http://www-ferp.ucsd...S/WS2005jan.jpg Tokamak típusú reaktor lesz:
- Total radius:
10.7 metres,
- Height:
15 metres,
- Plasma radius:
6.2 metres,
- Plasma volume:
873 cubic metres,
- Magnetic field:
5,3 teslas,
- Maximum plasma flow:
15 megaamperes,
- Heating output:
73 megawatts,
- Fusion output:
500 megawatts,
- Medium temperature:
100 million degrees,
- Burning period:
>300 seconds.
Experimental arrangement for controlled nuclear fusion. In a Tokamak, two superimposed magnetic fields enclose the plasma: this is the toroidal field generated by external coils on the one hand and the field of a flow in the plasma on the other hand. In the combined field, the field lines run helicoidally around the torus centre. In this way, the necessary twisting of the field lines and the structure of the magnetic areas are achieved. Apart from the toroidal field generated by the external field coils and the field generated by the flow in the plasma, the Tokamak requires a third vertical field (poloidal field), fixing the position of the flow in the plasma container. The flow in the plasma is mainly used to generate the enclosing magnetic field. In addition, it provides effective initial heating of the plasma. The flow in the plasma is normally induced by a transformer coil. Owing to the transformer, the Tokamak does not work continuously, but in pulse mode. Since, however, a power plant should not be operated in pulse mode for technical reasons, methods are examined to generate a continuous flow - for example by high-frequency waves. The fusion research plant
JET is built according to the Tokamak principle. The fusion reactor
ITER is also planned according to this principle.