A Hét 1983/1 (28. évfolyam, 1-26. szám)
1983-01-21 / 4. szám
Tudomány-technika FÚZIÓS ENERGIATERMELÉS 2. A fúziós erőmű Az előző részben a fúziós reaktor működésének elvét és a legfejlettebb műszaki megoldását ismertettük. Bár még kísérletekkel teljesen nem sikerült bizonyítani, hogy a Lawson-kritériumnak eleget tevő szabályozott nukleáris reaktor a gyakorlatban is megépíthető, de az utóbbi időkben a Tokárnak reaktorokkal folytatott kísérletek a jövőt illetőleg optimizmusra adnak okot. A kutatók főbb vonalaiban már most felvázolják a jövő fúziós erőmüvét is, mert a fizikai és műszaki kutatások mellett csak akkor indítható el a gazdaságosságot elemző tevékenység, ha a reaktorhoz kapcsolódó erőmű legalább első közelítésben ismert. A gazdaságosság bizonyítása pedig rendkívül fontos, hiszen e gyakorlatilag végtelen nagyságú természeti energiaforrás hasznosítása lehetne elvileg olyan költséges is, ami eleve kizárná gyakorlati alkalmazását. Szerencsére ez nincs így. A termonukleáris erőműben a fúziós reaktorhoz a jelenlegi atomerőművekétől nem lényegesen eltérő, vízgőzzel üzemelő körfolyamat kapcsolódna megfelelő hőhordozó közeg (hélium) közbeiktatásával. Egy reaktorhoz előreláthatóan egy vagy több turbina fog csatlakozni úgy, hogy az erőmű teljesítménye 2000 és 10 000 MWe közötti intervallumban legyen. Jól elképzelhető, hogy az erőmű a villamosenergia-szolgáltatáson kívül forróvíz, valamint gőz formájában ellássa nagy települések alacsony hőmérsékleten jelentkező hőigényét is (kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés). Ha a hélium hűtőközeg hőmérsékletét sikerül elég nagyra növelni, akkor ez előnyösen lesz felhasználható az ipar más területein is (pl. a kohászatban és a vegyiparban). Nagyon jól illeszkednék a távlati energetikai képbe egy olyan fúziós erőmű, amely az energetikai rendszer kisebb terheléseinek időszakában (pl. éjszaka vagy a hétvégeken) akár vízbontással, akár más eljárás útján tárolható cseppfolyós hidrogént állít elő, és így megteremti a hidrogénnek, mint a jövő fontos energiahordozójának gyártási feltételeit. Az előzetes számítások szerint a reaktorból távozó hűtőközeg hőmérséklete kb. 600 C fok lesz. Ez hőjét a hélium-vízgőz hőcserélőnek, vagyis a gőzfejlesztőnek adja le. Innen a gőz a turbinákra kerül majd kondenzálódik. A kondenzációs berendezések különböző megoldásúak lehetnek. A mai atomerőmüveknél gyakran alkalmazott nedves hűtőtornyok környezetvédelmi szempontból egy fúziós erőműnél hátrányosak lehetnek, mert a fúziós erőmű telepíthető pl. városok központjába is. A gőz és az elragadott vízcseppek viszont ott károsan befolyásolják a környék mikroklímáját. Ezért a fúziós erőművekhez célszerűbb száraz hűtőtornyokat építeni. Környezetvédelmi és biztonságtechnikai kérdések Környezetvédelmi szempontból a fúziós reaktor legproblematikusabb anyaga a benne keletkező tricium. A trícium nem hulladékanyag, mint amilyenek a fissziós reaktornak hasadási termékei, hanem maga az üzemanyag. Ennek ellenére kis mennyiségben kikerülhet a rendszerből, mert a plazmát körülvevő köpenyen átdiffundálva a hélium hűtőközegbe juthat, s innen az erőmű vízgőz körfolyamatába. Mivel a tríciumnak igen nagy az áthatolóképessége, a vízgőz körfolyamatból könnyen kijuthat a környezetbe. Ennek megakadályozására a leghatásosabb módszer, ha az eröművi víz- és gözveszteségeket a minimális szinten tartjuk. A trícium 12,3 év felezési idővel, átlagban 5,7 keV energiájú béta-részecskék kibocsájtásával héliummá bomlik. Az aránylag kis energia következtében az élő szervezetekre kívülről gyakorolt hatása nem túl nagy, de inkorporálva vagy az élő szervezetekbe mint tríciumos víz felszívódva szomatikus károkat okozhat, jóllehet egyike a legkevésbé mérgező radioaktív anyagoknak. Az emberi szervezetben a tríciumos víz csak kevéssé koncentrálódik, elkeveredik a szervezetben levő folyadékokkal és kiválasztás valamint kigőzölés útján eltávozik onnan. Az esetleges reaktorbaleset szempontjából a fúziós erőmű az atomerőműnél sokkal biztonságosabb lesz. Ez azzal magyarázható, hogy míg egy 2000 MWe nagyságrendű fúziós reaktorban kb. 1 gramm nagyhömérsékletű plazma lesz jelen, addig egy ugyanolyan teljesítményű, tetszőleges típusú atomreaktorban kb. 200 tonna besugárzott és radioaktív hasadási termékkel erősen szenynyezett üzemanyag van. Ennek ellenére sem mondható azonban, hogy a fúziós reaktor a környezet szempontjából teljesen problémamentes. A problémák abból adódnak, hogy a szerkezet besugárzott és radioaktívvá vált elemeit idővel karbantartani és cserélni, az erősen sugárzó, elhasználódott alkatrészeket hosszú ideig veszélymentesen tárolni kell. A nagy egységekben történő telepítés miatt környezeti hőszennyezési problémákkal is számolni kell, mint bármelyik más típusú erőműnél. Annak ellenére, hogy a deutérium és a trícium rendkívül koncentrált energiaforrás, a fúziós reaktor üzeme nagyon biztonságos lesz. Ez részint a plazma nagyon híg voltával magyarázható és azzal a ténnyel, hogy a reaktorban egyszerre jelenlevő, öszesen 1 gramm nagyságrendű fúzióképes anyag energiatartalma nem szándékolt fúzió esetén is legfeljebb a tórusz falát alkotó gyűrű anyagában okozhat hőfeszültséget. A friss üzemanyag csak másodpercnyi nagyságrendű ideig van a reaktorban, ugyanakkor a mágnesesen összetartott plazma a mágneses tér összeomlása, vagy a nyomás hirtelen megnövekedése esetén a „hideg" fallal kerül érintkezésbe és gyakorlatilag megszűnik létezni. A robbanásveszély tehát gyakorlatilag, a nukleáris megfutás lehetősége pedig elvileg is ki van zárva. Külön megfontolást érdemel azonban a mágneses térben felhalmozott energia megsemmisítése üzemzavar esetén. Számítások szerint ez az energia 2.10" érték körül mozog, ami egy átlagos villámcsapásnak felel meg. Nem problémamentes ilyen szempontból a lítiumban felhalmozott hő sem, melynek szükségelvezetéséről gondoskodni kell, anélkül, hogy a lítium vízzel vagy nedvességgel érintkezzék, mivel ez heves kémiai reakciókat vált ki. Kísérleti berendezések Úgy véljük, hogy ismertetőnek és figyelemfelkeltőnek szánt írásunk befejező részében nem lesz érdektelen a világ energetikai szempontból fontosabb termonukleáris kísérleti berendezéseiről rövid áttekintést nyújtani. A kutatómunka döntő hányada néhány országra (Szovjetunió, USA, Anglia, Franciaország, Japán) korlátozódik, ami érthető, figyelembe véve a jelentős anyagi ráfordításokat. Alapkutatásokkal és egyes részletkérdések kutatásával még sok más országban, köztük hazánkban is foglalkoznak. A következőkben országonként áttekintjük az egyes fúziós berendezéseket. SZOVJETUNIÓ: A Tokárnak rendszerű fúziós berendezések fejlesztésével főleg a Szovjet Tudományos Akadémia A. F. Loffe Fizikai-Technikai Intézete foglalkozik Leningrádban és a Szovjet Atomenergia Bizottság I. V. Kurcsatov Atomenergetikai Intézete Moszkvában. Az loffe intézetben működik egy Tokárnak típusú berendezés (Tokárnak FT 1), melynek egyik fő feladata a nagyfrekvenciájú plazmafűtés tanulmányozása. A Kurcsatov Intézetben a Tokárnak 4 és Tokárnak 7 berendezések működnek. Az utóbbit a világ egyik legfejlettebb fúziós kísérleti berendezésének tartják. Az intézet szakemberei jelenleg a T-10 M nagyteljesítményű termonukleáris berendezés létrehozásán fáradoznak. Véleményük szerint ez a berendezés lesz az egyik A fúziós reaktor elképzelt keresztmetszete I, II — a fő burkolatok elhelyezkedése III — mágnestekercs IV — a plazmát körülvevő biológiai védőrendszer 1 — deutérium-trícium plazma, 2 — fémfal, 3 — hőszigetelés és tágulási tér utolsó szakasz a demonstrációs energetikai reaktor megszerkesztésében. Igaz ugyan, hogy a Tokárnak berendezések képviselik a termonukleáris szintézis terüle tén végzett kutatások legelőrehaladottabb programját, ám a Szovjetunióban nem ezek az egyetlenek. A másik változattal, az impulzusos rendszerekkel is folynak kutatások. Elvileg ebbe a kategóriába tartozik a Szovjetunió Lebegyev Intézetében „Bjelka" néven működő kísérleti plazmafókuszáló berendezés is, amelyben a plazmát úgy állítják elő, hogy deutérium-gázban lévő különleges alakú elektródákon keresztül kondenzátortelepeket sütnek ki. Kisüléskor a plazma kis térfogatra húzódik össze, közben ionkoncentrációja és hőmérséklete eléri a termonukleáris reakcióhoz szükséges értéket. 1979-ben ugyanebben az intézetben a Delfin óriás lézerberendezéssel kezdték meg a termonukleáris kísérleteket. USA: A szabályozható fúzióval foglalkozó kutatások központja a princetoni University Plasma Physics Laboratory és az Oak Ridge National Laboratory. Mindkét intézet több Tokárnak berendezéssel rendelkezik. 1980- ban helyezték üzembe Princetonban a PDX-et, mely már jól megközelíti az energetikai célokra is alkalmas reaktor méreteit. A kísérletek jelenlegi stádiumában a plazma sűrűségének további növelése folyik. A termonukleáris reakciónak lézertechnika útján történő megvalósításával az Alamos Scientific Laboratory foglalkozik. A további fúziós kutatások céljaira a jelenlegi kormányzat 1000 millió dolárt irányzott elő. ANGLIA: A kutatások központja az Egyesült Királyság Atomenergia Bizottságához tartozó Culham Laboratory. Ennek jelentős kísérleti berendezése a Tokamak-Cleo, de itt épül az Euroatom országainak közös Tokárnak berendezése is. FRANCIAORSZÁG: A plazmakisérleteket a Fontenay — aux Rosesban, illetve Grenobleban lévő kutatóintézetek végzik. Megemlítjük a TFR jelzésű Tokamak-típusú berendezést, amelyen 10'3.cm-3 részecskesűrűséget és 10 ms összetartás! időt értek el. JAPÁN: Különböző intézetek és egyetemek nagyon változatos fúziós kísérleti berendezéseket építettek. Közülük a legjelentősebb lesz a most épülő JT-60 kutatóreaktor. Tekintettel a termonukleáris kutatások terén elért figyelemreméltó eredményekre a Bécsben székelő Nemzetközi Atomenergetikai Ügynökség (IAEA) 1978-ban a kutatásokban résztvevő országokat nemzetközi együttműködésre kérte fel. Ekkor alakult meg az a nemzetközi munkacsoport, melynek tagjai a Szovjetunió, USA, az Euroatom országai és Japán. A nemzetközi munkacsoport azóta kidolgozta a Tokárnak nemzetközi rekator terveit (INTOR), melynek megépítését a tagországok a nyolcvanas évek végére tervezik. Ez az együttműködés jó példát mutat hasonló nemzetközi vállalkozások szervezésére az egész emberiség érdekében. Összefoglalás Az energetikai helyzetképből következik, hogy a XX—XXI. században újabb, bőséges energiaforrásra lesz szüksége az emberiségnek. Ez elsősorban a termonukleáris reakciót hasznosító fúziós erőmű lehet, melynek egyik alapanyaga, a viz szinte korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre. A termonukleáris reaktor fizikai megvalósíthatósága elméletileg igazolt, azonban a Lawson-kritériumban szereplő három tényező (plazmasűrüség, hőmérséklet és összetartási idő) egyidejű fennállásának gyakorlati bizonyítása eddig nem volt tehetséges. (Az eddig elért legnagyobb nt szorzat kb. 1 —2 nagyságrenddel kisebb a szükségesnél.) A fizikai megvalósíthatóság bizonyítását a nyolcvanas évek végére várják. Ezután következik a Lawson-kritériumnak eleget tevő zéróteljesítményű plazmavizsgálók megépítése, majd az energetikai célokra alkalmas fúziós reaktor megvalósítása. Közben számos, ma már ismert és még több, eddig még fel sem merült anyagtechnológiai, szerkezeti stb. problémát kell megoldani. Elég jól kell a munkáknak haladniuk, hogy mindez az évszázad végéig megvalósulhasson és a fúziós erőmű ugyanúgy „beszerezhető” legyen a világpiacon, mint a mai atomerőművek. Remélhető, hogy egyes vezető ipari hatalmak kritikus energiahelyzete további ösztönző erőt ad az elméleti és kísérleti munkák intenzív folytatására. KOVÁCS ZOLTÁN villamosmérnök 18
