Atomerőmű, 2006 (29. évfolyam, 1-12. szám)
2006-12-01 / 12. szám
2006. december 11. oldal 1976-2006 Tiszta energia Dél-Franciaországból A JOVO FÚZIÓS REAKTORA: AZ ITER Az ITER a tudomány egyik legnagyobb kísérlete, mely közelebb visz a Nap energiatermelését utánzó berendezések, az atommagok egyesítése útján energiát termelő fúziós erőművek megvalósításához. Ezek korlátlan, tiszta és biztonságosan termelhető energiával kecsegtetik az emberiséget. 2005. június 28-án az Európai Unió, Japán, az Egyesült Államok, Oroszország, Dél- Korea és Kína aláírta azt a szerződést, amely szerint Franciaországban épül fel a Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor (International Thermonuclear Experimental Reactor). A fúziós energiatermelés megvalósítása a tudomány egyik régóta dédelgetett álma. Amióta az 1920-as években fényt derítettek arra, hogy a Nap atommagok egyesülése révén termel energiát, azonnal felvetődött a lehetőség, hogy ugyanezt a folyamatot a Földön is fel lehetne használni energiatermelésre. A maghasadáson alapuló atomerőművek viszonylag gyors sikere - a jelenség felfedezése és az első áramtermelő atomerőmű üzembe helyezése között alig 15 év telt el - reményt adott arra, hogy a fúziós energiatermelés is hamar megvalósul. Ez azonban még ma sem történt meg, annak ellenére, hogy a fúziós kutatások ötven éve folynak, és óriási fejlődést hoztak. A fúzió feltételeinek megteremtése és fenntartása jóval nehezebb feladat, mint a maghasadásé. Energiatermelés számos könnyű atommag egyesítésével is elképzelhető. Földi körülmények között legcélszerűbb a hidrogén két izotópjának, a deutériumnak és a tríciumnak a fúzióját választani. (Lásd 1. ábra). A reakció során a két mag egyesül, és hélium, valamint nagy energiájú neutron keletkezik. A két alapanyaghoz könnyű hozzájutni: a deutérium több tízmillió évre elegendő mennyiségben található a tengerekben, a trícium pedig a fúziós erőműben állítható elő a szintén hatalmas mennyiségben rendelkezésre álló lítiumból a fúziós reakcióban keletkezett neutronok felhasználásával. A gyakorlatilag korlátlanul rendelkezésre álló alapanyagok egyike sem radioaktív, amint a végtermék, a hélium sem. A fúziós reaktorokban is halmozódnak fel sugárzó anyagok, mivel a neutronok radioaktívvá teszik a berendezés egyes szerkezeti elemeit. Ezek túlnyomó része helyhez kötött. A jövő fúziós erőműveibén található teijedni képes radioaktív anyagok mennyisége emiatt annyira csekély lesz, hogy egy esetleges baleset sem jelent kockázatot a környezetre. A fúzió beindításához megfelelő körülményeket kell biztosítani. Az atommagok csak akkor egyesülnek, ha elég nagy sebességgel ütköznek egymáshoz, és legyőzik a köztük lévő, azonos töltésükből eredő taszítást. Ekkor a két mag bizonyos valószínűséggel „összeragad”, mivel működni kezd a csak nagyon közeire ható magerő. Ilyen sebességgel csak rendkívül magas hőmérsékleten mozognak a részecskék. A hőmérséklet mellett a fúziós anyagnak még két feltételt kell kielégítenie: megfelelően nagy sűrűségűnek, a rendszer energiaveszteségének pedig alacsonynak kell lennie. Pozitív energiamérlegű fúzió csak e három feltétel bizonyos értékeinél valósulhat meg. Fúzió létrehozásához a Földön körülbelül százmillió °C-os hőmérséklet szükséges. Ekkor az anyag plazmaállapotban van: a nagy energiájú ütközések következtében az atommagokról leszakadnak az elektronok, és egy szabad atommagokból és elektronokból álló elegy keletkezik. A fúziós energiatermeléshez szükséges, hogy ezt a plazmát megfelelően elszigeteljük környezetétől, miközben magas hőmérsékleten tartjuk. A hatalmas hőmérséklet miatt a plazma nem érhet hozzá semmihez, hiszen azonnal lehűlne, s így megszűnnének a fúzió feltételei. Mivel a plazmarészecskék elektromos töltéssel rendelkeznek, mágneses térrel elkülöníthetők a környezettől. Ezt valósítják meg a mágneses fúziós berendezések. Az abszolút nullától a több száz millió fokig Az ITER egy tokárnak típusú mágneses fúziós reaktor lesz, amely jelenleg a legsikeresebbnek tűnő típus. A plazma a 15 m magas vákuumkamrában helyezkedik el, ami egy 2 rétegű, rozsdamentes acélból készült gyűrű, mely átlagosan 30-80 cm vastag, s a rétegek között hűtővíz áramlik. A kamra légmentesen zárt. Belső felületére sugárzáselnyelő burkolatot, valamint úgynevezett köpenymodulokat helyeznek, ide csaptodnak be a Az ITER felépítése plazmából elektromos töltés híján nyílegyenesen kirepülő neutronok. A köpeny alakítja át a neutronok energiáját hőenergiává, és ez tartalmazza a lítiumot is, amiből neutronok hatására a trícium-üzemanyag keletkezik. A kamra alján található a divertor nevű berendezés. A divertor pengeként szántja végig a plazma szélét, és megtisztítja azt a szennyeződésektől. A plazma összetartására szolgáló mágneses teret szupravezető mágneses tekercsekkel állítják elő. Az utóbbi évtizedek tapasztalatai alapján a plazma csak úgynevezett helikális (csavart) szerkezetű mágneses térrel tartható össze, az összes mai mágneses berendezés ilyen térszerkezetet állít elő (lásd 3. ábra). Ekkor a mágneses tér két komponensből tevődik össze: a toroidális mágneses térből, amely a vákuumkamra vonalával párhuzamosan fút, illetve a poloidális térből, ami az előbbire merőleges. A két tér összeadódik, kiadva a zető (a szupravezető anyagok egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt elvesztik elektromos ellenállásukat, és ezért igen jó elektromos vezetővé válnak). Erre azért van szükség, mert ha hagyományos vezetőből készülnének, az ITER-nél szükséges hatalmas mágneses tér (4-5 Tesla) előállításához óriási elektromos -teljesítményre lenne szükség, ami rendkívül gazdaságtalanná tenné a folyamatot. A szupravezetőben az áram ellenállás nélkül, korlátlan ideig folyik. A szupravezetés „szépséghibája”, hogy csak nagyon alacsony hőmérsékleten működik. Ez azt jelenti, hogy a tekercseket le kell hűteni körülbelül -270 °C-os hőmérsékletre. így a több száz millió °C- os plazma környezetét közel abszolút nulla fokos (a legalacsonyabb lehetséges hőmérséklet, amelyen az anyag nem tartalmaz hőenergiát, 0 Kelvin = -273,15 °C) hőmérsékleten kell tartani. A szupravezető mágnesek több ezer rendkívül vékony nióbium-ón ötvözetszál összetekercselésével készülnek. Az összetekercselt szálak egy fémcsőbe kerülnek, amelyben alacsony hőmérsékletű hélium folyik, ez hűti le őket a megfelelő hőmérsékletre. A hűtés mellett gondoskodni kell a tekercsek hőszigeteléséről is. Erre szolgál a kriosztát, amely egy 24 méter magas és 28 méter átmérőjű henger. Körbeveszi az egész reaktort, alacsony hőmérsékleten és vákuum alatt tartja a szerkezeti elemeket. Ez utóbbi tulajdonsága kiváló hőszigetelést biztosít. A forró plazmától és a szétrepüdigi legnagyobb tokárnak. Villamos energiát nem termel még, azonban alkalmas lesz arra, hogy majdnem minden olyan elméleti és gyakorlati kérdést tisztázzon, ami nyitva maradt a fúziós energiatermeléssel kapcsolatban. Az eddigi berendezésekkel főként plazmafizikai kísérleteket végeztek. A világon elsőként 1991-ben nyertek energiát fúziós reaktorból, a mai legnagyobb tokárnak, a közös európai üzemeltetésű JET révén. Az eddigi legnagyobb eredmény az, hogy 1997-ben csavart teret, amelynek erővonalai mentén mozognak a plazmarészecskék. A toroidális mágneses tér előállítására szolgáló 18 mágneses tekercs körbeöleli a vákuumkamrát. A plazmában a mágneses teret körbe folyó (körülbelül 15 megaamper erősségű) áram csavarja meg, amelyet a központi tekerccsel keltenek. Mindkét típusú tekercs szuprave-A deutérium-tricium fúzió lő neutronoktól a kamra belső falára szerelt árnyékoló- és tríciumtermelő kazetták védik a tekercseket. Ahhoz, hogy a plazma elérje a szükséges százmillió °C-os hőmérsékletet, melegiteni kell. Ennek egy részét elvégzi az áram, a plazma ugyanis - mint minden vezető - felmelegszik, ha áram folyik benne. Ily módon körülbelül 10 millió °C érhető el. A további fűtésről kiegészítő fűtőberendezések gondoskodnak. Ezek lehetnek mikrohullámú eszközök, vagy nagy energiájú atomnyalábok, amelyek a plazmába jutva energiát adnak át a fúziós anyagnak. Végre megtérül! Az elmúlt 50 évben egyre jobb paraméterekkel rendelkező plazmát sikerült előállítani. Az eddig épült reaktorok azonban túl kicsik voltak ahhoz, hogy számos, igen fontos jelenség vizsgálható legyen a segítségükkel. Az ITER kétszer akkora lesz, mint az ed-A tokárnak mágneses tere ugyanitt rövid ideig 13 megawatt fúziós teljesítményt mértek. Am ez még csak a befektetett teljesítmény 60 százaléka, vagyis a mai reaktorok energiamérlege egyelőre negatív. Az ITER ezzel szemben egy körülbelül 500 megawatt hőteljesítményű reaktor lesz, amivel néhány száz vagy akár néhány ezer másodperces kisüléseket lehet majd előállítani. Ez már erőművi teljesítmény (egy paksi reaktorblokk 1375 megawatt hőteljesítményű). A tervek szerint körülbelül tízszer annyi energiát szolgáltat majd, mint amennyi a fűtéséhez kell. Magyar részvétel Magyarország 1999 óta vesz részt az európai fúziós programban, amelyet az európai nukleáris szervezet, az EURATOM irányít. A hazai kutatásokat a Központi Fizikai Kutatóintézet (KFKI) Részecske és Magfizikai Kutatóintézetében működő Magyar Euratom Fúziós Szövetség koordinálja. A kutatók többsége is itt dolgozik, de részt vesznek a fúziós kutatásokban a KFKI Atomenergia Kutatóintézet és a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézetének szakemberei is. A magyar tudósok főként plazmadiagnosztikai eljárásokkal és a plazma anyagutánpótlásának megvalósításával foglalkoznak. Emellett az ITER tervezésében is részt vesznek, ahol főleg a plazmát vizsgáló tomográfiái eljárások tökéletesítésén és tríciumtermelő kazetták tervezésén dolgoznak. Út az energiatermelésig Az ITER költségeinek egyik felét az Európai Unió finanszírozza, a másik felét pedig a többi öt szerződő ország egyenlő arányban. Az építés jelentős ipari megrendeléseket hoz majd a résztvevő országokban működő azon cégeknek, amelyek már tapasztalatot szereztek a szükséges technológiákban. Az ITER-t, felépítése után, a hat fél által küldött nemzetközi kutatócsoport fogja üzemeltetni. Több száz Az ITER AZ ITER FELADATAI A plazma rendkívül bonyolult viselkedésű anyag, mivel a plazmarészecskékre nemcsak a külső mágneses tér gyakorol erőhatást, hanem minden egyes részecske maga is elektromos és mágneses teret kelt, így hat a többi részecskére. Ezért a plazma elméleti leírására a mai napig nincs olyan fizikai modell, amely minden jelenséget kielégítően magyarázna. Az ITER egyik feladata a plazmafizika mélyebb megértése annak érdekében, hogy a fúziós energiatermeléshez szükséges paraméterű plazmát lehessen létrehozni és fenntartani. Vizsgálható rajta az alfa-fűtés, ami ma még csak elméleti lehetőség: a fúzióban keletkezett hélium atommagok (alfa-részecskék) átadják energiájukat a plazmának. Amikor az alfafűtés eléri a plazma energiaveszteségét, égő plazmáról beszélünk, ami önmaga tartja fent a fúzió feltételeit. Ajövő erőműveiben égő (vagy ahhoz közeli) plazmát fognak használni. A vákuumkamra falának, főként a divertomak hatalmas hőterhelést kell kiállnia. Az ITER-en tesztelhetek lesznek azok a divertorelemek, amelyek majd a fúziós erőművekben is működni fognak. A radioaktív trícium termelése, kezelése, feldolgozása a fúziós erőművekben végzett legkényesebb művelet. Az ITER-nél első ízben lesz lehetőség a megfelelő tapasztalatok megszerzésére. Az ide tervezett különböző kísérleti tríciumtermelő kazetták csak a különböző technológiák kipróbálására szolgálnak, a működtetéshez szükséges tríciumot CANDU-típusú fissziós (atommagok hasadásán alapuló) reaktorokból fogják beszerezni. kutató és mérnök dolgozik majd a világ legnagyobb fúziós kísérleti berendezésén, a tervek szerint 2035-ig. Az ITER építése 2008-ban kezdődik, és 2015-ben fejeződik be. Az első kísérletek 2016-ban kezdődnek, először deutérium plazmával. így a reaktor működését még radioaktív anyagok jelenléte nélkül lehet tesztelni. Az igazi fúziós kísérletek immár deutérium-tricium plazmával 2020 táján kezdődnek, és 2025-ig tartanak. Felépítését követően megkezdik a DEMO-reaktor tervezését, mely az első villamosenergia-termelő erőmű lesz. Azonban még ez sem hálózatba termel, csak tesztelési célokra. A terveket az ITER tapasztalatai alapján készítik el körülbelül 2025- re. Az építés befejezését 2032-re tervezik. A DEMO feladata az lesz, hogy a fúziós technológiát a laboratóriumokból átvigye az ipari gyakorlatba. Üzemeltetésének tapasztalatai nyomán a 2040-es évek elején lehet megépíteni az első olyan fúziós erőművet, amely energiát termel a hálózatba. így számolva ma azt mondhatjuk, hogy a fúziós energiatermelés feltehetően a század második felétől, a 2050-es, 2060-as évektől játszhat jelentős szerepet az emberiség energiaigényének kielégítésében.-Benedekfi Őrs- Magyar Euratom Fúziós Szövetség tervezett telephelye Cadarache-ban A jelenlegi legsikeresebb reaktor, a JET belseje A plazma fénye a JET-ben
