Magfúzió
Az emberiség energiaellátását ma több mint 80%-ban fosszilis tüzelőanyagok adják, a szén, az olaj és a földgáz. Ezek a készletek, amelyet a természet évmilliók alatt halmozott fel hamarosan elfogyhatnak és egyre költségesebb lesz a kitermelésük, de a legfőbb problémát a felhasználásuk és kitermelésük által okozott környezetszennyezés okozza. Hosszú távon nem biztosíthatjuk az energiaellátásunkat a fosszilis energiaforrásokra támaszkodva. Fosszilis üzemanyag nélkül biztosítani az összes energiaszükségletünket nem könnyű feladat. Az energiánk közel 20%-a napjainkban más forrásokból származik, atom és vízenergiából, illetve egy töredéke nap, szél és geotermikus energiából. Az emberiségnek óriási szüksége van tiszta, új energiaforrásokra. A természetben a napenergia a legbővebben rendelkezésre álló megújuló energiaforrás, amit több féle képpen is hasznosíthatunk. Ha képesek volnánk befogni az összes energiát, amit a Nap termel egy percen keresztül, az elég lenne az egész világnak több mint egy millió évre. A Nap teljes kisugárzott energiamennyiségnek kevesebb mint tízmilliárdod része éri el a Földet a légkör felső részén, amelynek nagyjából 30%-a elnyelődik a felhőkben, óceánokon és a szárazföldeken. A Földet a Napból annyi energia éri el egyetlen óra alatt, mint amennyit az emberiség egy egész év alatt fogyaszt el más energiahordozókból. Azonban jelenleg ezen energia csak elenyésző töredékét hasznosítjuk, elsősorban technikai korlátok miatt, másodsorban a napenergia változó elérhetősége miatt. Azonban van egy másik lehetőségünk, megépítjük a saját napunkat itt a földön. Az energiaforrás, mely a földi életet fenntartó Napunkat is működteti az atomok magjainak egyesülésekor felszabaduló magfúziós energia. Fúzióval a napenergiát másoljuk, amely során pontosan ugyanúgy hozunk létre energiát, ahogyan a Nap. A fúzió annyira ígéretes, hogy már 60 évet és sok milliárd dollárt költöttünk a kísérletekre.
Magfúzió:
A Nap 73,5%-ban hidrogénből áll, amely a központjában zajló magfúzió során héliummá alakul. A Nap középpontjában a sűrűség eléri az 1,5·10 5 kg/m³, a hőmérséklet pedig a 15·10 6 (15 millió) kelvin értéket. Hogy jobban érzékelhető legyen, a csillagunk központjában levő gáz (plazma) 150-szer sűrűbb a víznél. A rendkívül magas hőmérséklet és nagy sűrűség hatására termonukleáris reakció (magfúzió) jön létre, melynek során minden négy hidrogénatom egyesüléséből egy héliumatom keletkezik, miközben energia szabadul fel. Másodpercenként átlagosan 8,9·10 37 hidrogénatom (600 millió tonna hidrogén) egyesül, ami 383·10 24 watt teljesítmény felszabadulásával jár. A termelődő energia 98,5%-át az úgynevezett „p-p lánc”, a fennmaradó 1,5%-ot pedig a CNO-ciklus adja (CNO = szén-nitrogén- oxigén). A fő energiatermelő folyamatként azonosított p-p lánc lefolyása két hidrogén-atommag (proton) egyesülésével kezdődik (erre az egyesülésre átlagosan 5 milliárd évet kell várniuk az atommagoknak), így deutérium (nehézhidrogén) képződik. Melléktermékként egy pozitron és egy neutrínó keletkezik. A pozitron azonnal összeütközik egy elektronnal, és energiává (fotonná) alakul. Ezután csak 1,4 másodpercet kell várni, hogy a deutérium egy újabb protonnal egyesüljön és hélium-3 (³He) jöjjön létre. Ezután átlagosan 240 000 év telik el, míg két hélium-3 egyesül, létrehozva a folyamat végtermékét, a héliumatomot ( 4 He), valamint felszabadítva két hidrogénatomot (protont). Az atommagot az úgynevezett erős kölcsönhatás tartja össze, ami a nukleonok között hat, nagyon rövid távolságon (10 −15 m) belül. Az atommagok nagyobb távolságokon viszont taszítják egymást, mert a töltésük pozitív. Így kialakul egy potenciálgát, ami a hidrogénatom izotópjai, a deutérium és a trícium esetében 0,1 MeV. Hogy a fúzió megtörténhessen, az atommagok között le kell győzni a potenciálgátat. Ez jön létre a csillagok fizikai állapotában a plazmában, ahol az atommagok elektronjaiktól megfosztva léteznek. Ezt a fizikai folyamatot nevezik
termonukleáris fúziónak vagy egyszerűbben magfúziónak.
1939-ben Hans Bethe német fizikus részletes matematikai levezetéssel leírta, hogyan lehetne a folyamatot a Földön is végrehajtani, és fúziós reaktort létrehozni. 1948-ban dr. Lyman Spitzer létrehozta a Princetoni Egyetemen a Plazmafizikai Laboratóriumot és számtalan kísérleteinek legfontosabb eredménye az volt, hogy megmutatta, a fúziós reakciót a Földön is elő lehet állítani. Napunk utánzásához, lézer sugarakat kell irányítani hidrogén atomokat tartalmazó kis kapszulára, hogy a rendkívüli hő és nyomás hatására a hidrogén atomok egyesülhessenek. Minden más anyagtól távol, mágnesek segítségével össze kell tartani a fúzióra alkalmas üzemanyagot ahhoz, hogy beinduljon a magegyesülés.
Előnyök:
Mint alternatív energiaforrásnak, a fúziós reaktorok üzembe helyezése kiemelt fontosságú lenne, mivel számos előnye van. Ha a fúziós energiatermelés megvalósul, képes lesz hosszú távon energiát szolgáltatni az emberiségnek. Üzemanyaga a hidrogén és két izotópja, a deutérium és a trícium keveréke. Az egész világon mindenhol igen hosszú ideig rendelkezésre áll az alacsony előállítási költségű alapanyag a hidrogén, ezért gyakorlatilag végtelen energiaforrásnak tekinthető. A deutérium évmilliókig elegendő mennyiségben megtalálható a természetes vizekben, a trícium pedig előállítható a Földön szintén hatalmas mennyiségben fellelhető fémből, a lítiumból, a fúziós üzemanyag tehát gyakorlatilag korlátlanul rendelkezésre áll. Nem áll fenn az atomrobbanás veszélye, ami egyes atomreaktorok esetén előfordulhat. A fúziós reaktorban nem keletkeznek több ezer évig sugárzó kiégett radioaktív végtermékek, csupán az erőmű egyes szerkezeti elemei néhány évtizedre gyengén radioaktívak lesznek. A fúziós reaktor nem termel szennyezőanyagokat, üvegházhatású gázokat, és még baleset esetén is ártalmatlan környezetére. Nem járul hozzá savas eső létrejöttéhez. A fúziós erőművekkel nagy mennyiségű energia termelhető.
A világ több ezer tudósa egy világméretű összefogás keretén belül 60 éve dolgozik azon, hogy olyan szerkezetet alkosson, amely magfúzió felhasználásával energiát képes termelni. Jelenleg több mint 30 kísérleti berendezés működik a világon és ennél is több kutatóintézetben folynak elméleti kutatások, illetve technológiai fejlesztések a témában. Európában az európai nukleáris szervezet, az Euratom koordinálja azokat a kutatásokat, melyek keretén belül kétezer tudós és mérnök közösen dolgozik a probléma megoldásán. Magyarország is részt vesz a közös európai kutatásokban. A hazai fúziós kutatásokat és fejlesztéseket az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont koordinálja, mely az EUROfusion konzorcium tagjaként a kutatások kb. 70%-át végzi. A magyar fúziós közösség ezért a Wigner Fusion nevet kapta. A fúziós energiatermelés mai ismereteink szerint megvalósítható. A fő akadályokat ma már elsősorban nem az elvi, sokkal inkább a technológiai nehézségek (például a megfelelő szerkezeti anyagok kiválasztása) jelentik. Az utóbbi ötven évben egyre fejlettebb kísérleti reaktorok születtek, teljesítményük gyorsabban növekedett, mint ahogyan a számítógépek számítási kapacitása ma növekszik. Mégis még rengeteg problémát kell megoldani, hosszú utat kell bejárni, amíg a végcélig eljutunk. A fúziós energia kiaknázásához vezető út következő lépése az ITER nevű kísérleti fúziós reaktor, mely a dél-franciaországi Cadarache-ban épül fel 2025-re, és a 2030-as években ipari mennyiségű energiát szolgáltat majd, egyelőre csak kísérleti célokra. A szükséges további berendezések felépítési idejét és a kísérleteket figyelembe véve ma úgy tűnik, hogy valamikor a 2050-es években indul be az első olyan fúziós erőmű, amely nagy mennyiségű energiát ad majd a hálózatba.
A magfúzióról bővebben:
magfuzio.hu
National Ignition Facility (NIF) kutató központ:
lasers.llnl.gov