Mi az a nukleáris fúzió? Miképp működik?

A közelmúltbeli áttörésekkel összhangban a nukleáris fúzióról egyre több szó esik a sajtóban. De mi az a nukleáris fúzió, és miben különbözik a nukleáris hasadástól? És miért fektetnek annyi vállalat és állam a fúziós kutatásba és fejlesztésbe? 

Itt válaszolunk ezekre a kérdésekre, mielőtt kiemelnénk, hogy a vákuum milyen szerepet játszik a nukleáris fúzió elérésében.

Jelenleg az atomenergia-termelő erőművek a résfolyamat kihasználásával termelnek energiát. A nukleáris repedés egy nagy, instabil atom, például az U-235 urán izotóp felvételét jelenti, és azt két könnyebb atomra osztja. Ez a folyamat hatalmas mennyiségű felhasználható energiát szabadít fel. 

A szétválás az U-235 neutronokkal történő bombázásával kezdődik. Mivel ezek a neutronok U-235 atomokká törnek össze, további neutronok szabadulnak fel, amelyek kölcsönhatásba lépnek több U-235-tel, és láncreakciót hoznak létre. Ez a reakció elektromágneses sugárzást is okozhat. Az energiatermelés maximalizálása érdekében szabályozni kell a résben felhasznált neutronok számát, hogy megakadályozzuk a láncreakció meghalását vagy elfutását.

A résreaktorok ugyanúgy működnek, mint a hagyományos erőművek. A rés a reaktoredényben történik, amelyet vezérlőrudak mérsékelnek. A reakcióból származó hő felhasználható a víz felmelegítésére és a gőz előállítására. Ez a gőz ezután megfordítja a turbinát, hogy villamos energiát termeljen. A fáradt üzemanyag biztonságos ártalmatlanításához további lépésekre van szükség, mivel radioaktív, és felezési ideje több mint 10 000 év. Sok esetben a leszerelési költségek a kezdeti tőkeköltség akár 15%-át is elérhetik.

A nukleáris repedés üzemanyagának előállításához először dúsításra van szükség, hogy az urán-235 koncentrációját az uránércben természetesen előforduló 0,7%-os bőségről a repedéshez szükséges 4-5%-ra növeljük. Ez 1000-2000 centrifugálfokozattal történik. Ehhez az uránércet UF6 gázzá alakítják, feldolgozzák, majd a dúsítási folyamat után üzemanyag pelletté alakítják. A centrifugálási folyamatot gondosan, meghatározott vákuumparaméterek mellett szabályozzák.

33 országban mintegy 440 nukleáris reaktor működik. Ezek a reaktorok a világ villamosenergiájának mintegy 10%-át termelik. Ezenkívül mintegy 55 nukleáris reaktor épül. Az uránérc 10 országból származik, és 70 000-szer nagyobb energiasűrűséggel rendelkezik, mint a fosszilis tüzelőanyagok. Egy atomerőmű építésének költsége 2 és 20 milliárd $ között lehet, bár alacsonyabb költségű, kisebb egységek fejlesztése megvalósítható.

A fényelemek fúziós reakciói energiát adnak a csillagoknak, és gyakorlatilag minden elemet előállítanak egy nukleoszintézisnek nevezett folyamatban.

A nukleáris fúzió egy fejlődő technológia, amely a jelenlegi tudományos kutatás élvonalába tartozik. Az energiatermelés forradalmasításának lehetőségével a fúzió számos nemzeti és nemzetközi projekt középpontjában áll. 

A nukleáris fúziós folyamat során két könnyű atom „összeolvad” egymással, hogy nagyobb atomt hozzon létre. Ily módon a nukleáris fúzió a rés ellentéte: az atomok megosztása helyett az atomok egy nagyobb atomt alkotnak. Ezáltal energia szabadul fel. 

A Fusion egyesíti a hidrogén izotópokat, például a deuteriumot és a tritiumot. A deuterium, más néven nehéz hidrogén, hasonló egy „normál” hidrogénizotóphoz, mint a protium, de egy további neutront tartalmaz. Összehasonlításképpen a tritium egy két extra neutront tartalmazó hidrogén izotóp. 

Az ideális fúziós reakciók deuterium és tritium 50:50 arányú keverékét használják (a 3. reakció a fenti ábrán), és mindössze néhány grammra van szükség bármikor. Ezt az ideált azonban nehéz volt elérni. Jelenleg egyetlen fúziós eszköz kivételével minden eszköz kizárólag deuteriummal működik (1. és 2. reakció). Ennek oka, hogy a tritium természetében ritka, és mesterségesen kell előállítani. 

A könnyű atomok csak akkor olvadhatnak össze, ha elég hosszú ideig „összenyomják”. A magsugarak távolságában a vonzó nukleáris erő erősebb, mint a visszaverő elektrosztatikus erő. Ezen korlátozások alapján a fúzió fő technikai nehézsége az, hogy a magok elég közel vannak ahhoz, hogy fúziót végezzenek. Ezért mágneses vagy inerciális záródásra van szükség. 

Mindkét típusú elhatároláshoz óriási hőmérsékletekre van szükség: több mint 4x10⁷ K a deuterium-tritium (DT) fúzióhoz. Ez 10-szer melegebb, mint a Nap!

Számos különböző megközelítést javasoltak a fúzió elérésére. Azonban csak két fő fajta elhatárolás létezik. 

A mágneses zártfúzió (Magnetic Confinement Fusion, MCF) talán a legbátorítóbb a kereskedelmi energiatermelésben. Nagyon erős mágnesek sorozatát használja, folyékony héliumot használva a mágnesek hűtésére és az eszköz teljesítményének javítására.

A leggyakoribb mágneses elzáróeszközök a Stellarator és a Tokamak, bár egyes létesítmények kísérleteztek mágneses tükröket használó eszközökkel. Mindhárom eszköztípus központi vákuumedényből áll, amelyben a plazma található, és fúziós reakció következik be. A vákuumtartályt egy kriosztát veszi körül, amelyben a szupervezető mágnesek vannak elhelyezve és hűtve. A Stellarator és a Tokamak gyűrű alakú, míg a tükörgép henger alakú. A mágneses mező folyamatosan összenyomja az atomokat, és a magas hőmérséklet gyulladást okoz. 

A második gyakori zárási típus az inerciális zárási fúzió (Inertial Containment Fusion, ICF). Ez a technika kivonja a fúziós energiát úgy, hogy lézerrel kis méretű (1-3 mm-es) DT üzemanyag pelleteket bombáz, vagy részecskesugarakat tölt a keverék összenyomása és felmelegítése érdekében, hogy meggyulladjon. Itt a gyulladás azt az állapotot jelenti, amikor az összes alfa-részecske leáll, ami a plazma felmelegedését okozza.

A kompresszió és a felmelegítés nagyon gyorsan történik rövid impulzusokkal (1-10 ns) nagy teljesítményű lézerekkel, röntgensugárzással vagy ionsugárzással, amelyek sok irányból metszik az üzemanyagot. A közvetlen meghajtású eszközök kompressziós energiaimpulzusokat juttatnak közvetlenül az üzemanyag-pelletbe. A közvetett meghajtású ICF technikáknál az üzemanyag-pellet egy kis fémtartályba (üreg/égőkamra) kerül. A lézerek ezután az üregre fókuszálnak, és azt plazmává melegítik, amely röntgensugarakat bocsát ki, amelyeket a pellet elnyel. A pellet ezután a közvetlen meghajtással megegyező módon nyomódik össze. A közvetlen meghajtású készülékekkel összehasonlítva a közvetett meghajtás jelentősen kevésbé hatékony. De mivel a termonukleáris bombák hasonló technikát használnak, a közvetett meghajtású technikát használják a nukleáris fegyverek szimulációiban. 

Az ICF-ből történő áramtermeléshez az üzemanyag-pelleteket egy vákuumos reakciókamrába ejtik, ahol meggyulladnak. A plazma és a fúziós neutronok sugárzását folyékony lítium nyeli el. A termelt hőt a hagyományos gőzfejlesztés során használják fel, a tritium pedig új üzemanyagként kerül újrahasznosításra.

A folyamatos gyújtás elérése után a fúzió hatalmas mennyiségű energiát termelhet mindössze nagyon kis mennyiségű üzemanyagból - egy kereskedelmi reaktorban évente csak körülbelül 250 kg-ot. 

A fúzió fő előnyei az üzemanyag bősége a szénhidrogénforrásokkal összehasonlítva, a káros melléktermékek, például az üvegházhatású gázok hiánya, valamint a nukleáris résszel összehasonlítva a belső biztonsága. 

A repedéshez képest a nukleáris fúziónak további előnyei vannak: 

• Míg a fúziós reakció során az emberi egészségre veszélyes neutronok szabadulnak fel, ezek a neutronok visszamaradnak, és a neutronok termelése majdnem azonnal megszűnik, amint az üzem leáll.  
  
• A fúzió természeténél fogva biztonságosabb, mivel nincsenek láncreakciók, kifutások vagy leolvadások.
  
• A fúzió szélsőséges hőmérsékletet eredményez, de ha plazma szivárogna, akkor a hő gyorsan eloszlana anélkül, hogy kárt okozna.
  
• A neutronok közvetett módon ionizálhatók, de könnyen leállíthatók.
  
• Míg a nukleáris fúzió radioaktív hulladékot termel, ez a radioaktivitás rövid élettartamú - különösen a repedés által termelt hulladékhoz képest. Ide tartozik a neutronbombázó edény is.  
  
• A fúzió során keletkező hulladékot nem kell ártalmatlanításra, tárolásra vagy újrafeldolgozásra szállítani.
  
• A tritium nagyon gyenge béta részecskéken keresztül bomlik le, így az izotóp nem jelent külső sugárzásveszélyt. A tritium azonban belső sugárzásveszélyt jelenthet, ha a tritiumozott vízgőzt belélegzik vagy a bőrön keresztül elnyelik. Ugyanakkor a tritium kevésbé erősen szívódik fel a szervezetben, akár a tüdőn, akár a bőrön keresztül.

A fúziós reaktorokban a vákuumigény a záródás típusától és a reaktor méretétől függ.

A mágneses zárt térben a vákuumra a legnagyobb szükség van a központi vákuumkamrában és a környező kriosztatikus kamrában. Ez több mint 100 m³ lehet, aminek UHV alatt kell lennie (körülbelül 10 ^-9 mbar) a plazma szennyeződésének megelőzése érdekében. 

A vákuumra a tritium előállításához, a hélium szivattyúzásához és az üzemanyag-visszavezetéshez is szükség van. Inerciális zárt fúzió esetén az összes lézer- vagy részecskesugár vonalat a reakciókamrával együtt ki kell üríteni. A mágneses elhatároláshoz hasonlóan ez nagyon nagy térfogatú lehet, ami UHV-t igényel a sugárveszteségek és -aberrációk megelőzése érdekében. A turbomolekuláris és a kriogén szivattyúk a leggyakrabban használtak, és képesnek kell lenniük a sugárzás és a magas mágneses mezők helyi csúcsának kezelésére. Hasonló aggályok vonatkoznak az elsődleges szivattyúkészletekre, mérőműszerekre és szelepekre.

1. Magának a reakcióedénynek az evakuálása UHV-ba: a nagyobb gázfajták eltávolításához és a plazmaszennyeződés megelőzéséhez szükséges.
   
2. Kriogén (kriosztát): maga a hűtőrendszer igényel vákuumot.
   
3. Tritiumgyártás: a tritium előállítása leggyakrabban úgy történik, hogy a neutronok lítiummal ütköznek, ami vákuumot és szivattyúzást igényel a hűtőgázhoz. A neutronok résreakciókból vagy lineáris gyorsítókból is keletkeznek, amelyek mindegyike vákuumot igényel a működéshez.
   
4. Plazmafűtés: vákuumra van szükség a semleges sugarú befecskendezőrendszerben a plazma felmelegítéséhez
   
5. Vákuumvizsgálat: a berendezést vákuum alatt, olyan eszközökkel tesztelik, mint a gázelvezető berendezések és a szivárgásérzékelők.
   
6. Nyomásmérők és műszerek: a berendezések és a folyamatok teljesítményének monitorozásához
   
7. Hűtés: a szupervezetők hűtéséhez használt hélium szivattyúzására van szükség
   
8. Recirkuláció: a fel nem használt üzemanyag és a hélium kiszivattyúzásra kerül a kamrából, elválasztásra és recirkulációra kerül
   
9. Fúziós üzemanyag: nagy teljesítményű szivattyúkra van szükség a fúziós üzemanyagok kamrába történő befecskendezéséhez

1. A célkamra evakuálása UHV-ba: a nagyobb gázfajták eltávolításához és a plazmaszennyeződés megelőzéséhez szükséges
   
2. Célpont-pozicionáló rendszerek: az üzemanyagra irányított lézereket célzó rendszerek vákuumot igényelnek
   
3. Sugárvonal vákuum: a lézerekhez több sugárvonalat használnak, amelyek mindegyikének vákuum alatt kell lennie
   
4. Térbeli szűrő: a térbeli szűrők a lézersugár „tisztítására” szolgálnak, és vákuum alatt működnek
   
5. Nyomásmérők és műszerek: a berendezések és a folyamatok teljesítményének monitorozásához

A vákuumszivattyúk egyik legfontosabb követelménye a tritium kezelésének képessége. Ez azt jelenti, hogy a fémtömítéseket kell előnyben részesíteni, és a szivattyúknak szénhidrogénmentesnek kell lenniük.

Mágneses záródás esetén a szivattyúknak erős mágneses mezőkben is működniük kell, és gyakran árnyékolásra van szükség. A reakciókamrák körüli hely nagyon korlátozott, és a leállítások rendkívül költségesek, ezért a szivattyúknak kis helyigényűnek és rendkívül megbízhatónak kell lenniük, minimális szervizigény mellett.

Vitában áll, hogy mikor érhető el a fúzióból származó nettó energianyereség, optimista becslések szerint 10-20 év múlva.

Ezt az optimizmust támogatja az a tény, hogy az egyesülési projektek világszerte rekordokat állítottak fel. A Közös Európai Torus kutatói például a közelmúltban „a legmagasabb fenntartható energiaimpulzust generálták” a fúziós technológiával. 

A Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium kutatói egy másik nemrégiben végzett fúziós kísérlet során több mint 1,3 megajoules (MJ) hozamot értek el - ez kulcsfontosságú lépés a fúziós gyulladás elérése felé. 

Bár a 10-20-as évek száma hosszúnak tűnhet, a fúziós iparág gyors ütemben növekszik. Az érettség jeleként kezdenek kialakulni harmadik fél szolgáltatásai, például az ARPA-E, egy olyan ügynökség, amelynek célja a fúziós projektek független diagnosztikája. 

Számos új reaktort is terveznek, és számos induló vállalat keresi a „gyorsabb fúziós utakat”. Egy ígéretes projekt az ITER, egy építkezés alatt álló tokamak típusú reaktor (a világ legnagyobb reaktora), amelynek célja, hogy 10-szer több energiát termeljen, mint amennyit felhasznál. Az ITER egyik célja a DEMO, a kereskedelmi fúziós reaktorok prototípusának vezetése. 

18 országban több mint 50 fúziós eszköz működik vagy épül. Számos magánfinanszírozású eszköz is kifejlesztés alatt áll. Eddig csak egy fúziós eszköz használ tritiumot a korlátozott készlet miatt. A létesítmény költsége 100 millió $ és több mint 20 millió $ között változik.

Jelenleg egyetlen fúziós létesítmény sem termel nettó energianyereséget. Mivel azonban a fúziós üzemanyag energiasűrűsége még magasabb, mint a repedés, és mintegy 10 000 000-szer nagyobb, mint a fosszilis üzemanyagoké, a technológia ígérete az energiatermelés jövőjének újraalakítása.