Előfizetés a lapra

Kihívások a fúziós energiatermelésben

A hét kutatója, energia, fizika, fúzió, interjú, ITER, tokamak

2017/08/17

„A fúziós energiafelszabadítás megvalósítása mindenesetre – bátran állíthatjuk – egyszersmindenkorra megoldaná az emberiség energiagondját;...” Ezt írta Simonyi Károly – még 1959-ben! A 100 esztendővel ezelőtt született tudós tiszteletére az MTA Székházában tudományos ülést rendeztek, ahol Pokol Gergő fizikus előadásában azokat a kihívásokat ismertette, amikkel meg kell küzdeni a kutatóknak ahhoz, hogy egyszer valóban fúziós energiaforráshoz jussunk. A BME Nukleáris Technikai Intézet Fúziós csoportjának vezetőjével arról beszélgettünk, hogy ők milyen problémákkal foglalkoznak és hogyan próbálják megoldani ezeket.

– Lassan 60 éve, hogy Simonyi Károly leírta a fenti szavakat. Ma is olyan optimisták, mint ő annak idején?

– Fizikusként nehéz határozott állításokat tenni egy olyan technológiáról, ami még nem létezik, de minden jel arra mutat, hogy gyakorlatilag kimeríthetetlen erőforrás lenne számunkra a fúzió, és kezelhető környezetterheléssel járna. Sokan gondoljuk úgy, hogy a legalábbis a következő pár ezer évre megoldást jelentene.

– Ezek a kilátások csábították a fizikusi pályára vagy máshogy kezdődött?

– A fizikához való vonzódás általános iskolás korom óta megvan. Az egyszerű dolgok érdekeltek, mint a fizika, mely a természet alapjelenségeivel foglalkozik. Az, hogy konkrétan a fúzióhoz kerültem közel, két embernek köszönhető. Pór Gábor volt témavezetőm mutatta meg, hogy fúziós területen milyen érdekes zajdiagnosztikai problémák vannak. Ő hozott össze Zoletnik Sándorral 2002-ben, aki akkoriban futtatta fel a fúziós kutatásokat Magyarországon. Nekem nagyon tetszett ez a terület, mert alapvetően klasszikus fizikáról van szó, mégis azok a szépségek, amiket a nemlineáris fizika kapcsán a múlt század végén fölfedeztünk, mind gyönyörűen megjelennek benne.

– Melyek azok kihívások, amelyekkel foglalkoznak, és hogyan próbálják megoldani a problémákat?

– A kutatási témáink úgy vannak összeállítva, hogy van benne közvetlen kísérleti eszközfejlesztés, kísérleti adatok feldolgozása és szimuláció is. Szimulációs területen azzal foglalkozunk, hogy a fúziós reaktorokban bizonyos üzemzavarok esetén létrejöhetnek nagy energiájú relativisztikus elektronnyalábok a plazmában, és ha ezek nekimennek a reakciótér falának, nagy károkat okozhatnak. Megpróbáljuk kiszámolni, mikor keletkeznek ilyen nyalábok, és mit lehet velük kezdeni.

 A következő lépés a fúziós energiatermelés felé: az ITER tokamak tervei  (FORRÁS: ITER.ORG)

Egy másik terület a zajanalízis. Ezen a témán belül a legújabb specialitásunk a nagyon gyorsan változó frekvenciájú és amplitúdójú, csör-pölő hullámok jellemzése. Ebben a témában általában megrendelésre dolgozunk. Münchenben van egy nagyon jó elméleti plazmafizika csoport. Ha ők kíváncsiak arra, hogyan kell egy ilyen hullámmal kapcsolatos kölcsönhatást modellezni, akkor mi megnézzük, hogyan játszódik le a valóságban. Ehhez az kell, hogy koncentráltan az adott célra fejlesszünk adatfeldolgozási technikákat. Tehát kísérleti adatfeldolgozást végzünk elméleti fizikusok megrendelésére.

 Ami az eszközfejlesztést illeti, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai nagyon jók atomnyaláb-emissziós diagnosztikák építésében, sok helyen használják berendezéseiket a világon. Mi csináltuk ezekhez a modellezést és a mi eredményeink alapján építik meg ezeket az összetett mérőrendszereket. Nagyon fontos, hogy a plazmában keletkező örvényléseket mérni tudjuk. De ez is nagy kihívás, mert az örvények 10 mikroszekundum körüli időtartam alatt maximum centiméteres nagyságúra nőnek meg, tehát nagyon picike fluktuációkat kell nagyon gyorsan mérni 100 millió fokos plazmában, amihez nehezen férünk hozzá. Érthető módon elég kevés olyan méréstechnika van, ami ezt tudja. A Wigneres kollégákkal erre álltunk rá.

– Az előadásában az ITER megvalósítását emelte ki elsődleges célként.

– Mint ahogy neve is jelzi (International Thermonuclear Experimental Reactor), ez egy nemzetközi kísérleti termonukleáris reaktor lesz, első a maga nemében. A világméretű összefogással készülő berendezés Franciaországban épül. 2014-től még koncentráltabban kell dolgoznia a megvalósításán minden partnernek, így nekünk is.

 Minél nagyobb egy tokamak, annál nagyobb problémát jelentenek a relativisztikus elektronnyalábok, és az ITER minden eddigi reaktornál nagyobb lesz. Úgy tűnik, nagyon nagy elfutó elektronnyaláb tud keletkezni, több megaamperes erősséggel, és ha ez nekimegy a berendezés falának, nagyon nagy károkat tudna okozni. Most találják ki, hogy lehet elkerülni vagy lefékezni. Ehhez próbálunk mi is hozzájárulni.

 Egy másik megoldásra váró probléma az, hogy a fúziós reakcióban keletkező gyors héliumatommagok mindenféle hullámokat tudnak gerjeszteni, amik képesek kiszórni a gyors részecskéket a plazmából. Ez azért rossz, mert a gyors héliumatommagok így nem a plazmát fűtik, hanem kimennek a falra és azt roncsolják. Vizsgáljuk, hogy a reaktor két különböző tartományán keletkező hullámok képesek-e fölerősíteni egymás hatását. Ha ugyanis szállítószalaggá állnak össze, akkor milliszekundumok alatt a plazma közepéről a szélére viszik az ionokat, ahol nem csak, hogy semmi hasznuk nincs, de még a falat is károsítják. Ha nem sikerül bent tartani a gyors ionokat a plazmában, nem fognak az ITER céljai teljesülni.  Márpedig az az elképzelés, hogy az ITER-ben a fő fűtési teljesítményt a gyors héliummagok, vagyis az alfa-részecskék fogják adni, tehát nem kívülről jön, hanem maga a fúzió fogja fűteni. Ez azért is nehéz feladat, mert eddig nem volt olyan berendezés, ahol annyi fúziós eredetű alfa-részecskét tudtunk volna produkálni, hogy ezeket a hullámokat rendesen lehessen tanulmányozni. Az ITER lesz az első. Ezt a problémakört ma kisebb berendezéseken más eredetű gyors ionok segítségével vizsgáljuk.

 Ami a mérőrendszerek fejlesztését illeti, minél nagyobbak a rendszerek, annál nagyobbak a problémák is. Az ITER már elég komoly berendezés, az energiatermelő erőművekben még nagyobbak lesznek mechanikai terhelések és a sugárzási terek. Az ITER ugyanis még kísérleti berendezés lesz sok diagnosztikával, de egy energiatermelő erőműben sokkal kevesebb rendszer lehet. Az ITER diagnosztikai rendszereit már építjük, de az még nyitott kérdés, hogy egy erőműben mit és mivel tudunk majd mérni.

– Lehet már látni, hogy mikorra valósul meg?

– Mindenki ezt kérdezi, és teljesen jogosan. Fúzióban Európa ma vezető szerepet tölt be a világon, de például a japánok is ügyesek, Kínában pedig úgy néz ki, hogy eszméletlen összegeket fognak rákölteni. Ennek ellenére az egészen valószínű, hogy a jelenlegi energiaproblémáinkat nem ez fogja megoldani, tehát valamilyen átmeneti megoldást kell találni a következő 100 évre. Akármilyen optimisták vagyunk, és bármennyire is igyekszünk, ez egy hosszú, nagy beruházásokkal teli fejlődés lesz. A következő nagy lépés az első plazma lesz az ITER-en. Nemrégiben tudtuk meg Zoletnik Sándortól, hogy erre 2025. november 25-e, 12 óra a cél! Deutérium-trícium plazma azonban, ami az igazi fúziót produkálja, csak tíz évvel utána lesz. Az ITER eredeti terveiben szereplő tízszeres energiasokszorozás tehát 2035 előtt biztosan nem lesz, s csak ezután lehet elkezdeni energiatermelő reaktorokban gondolkozni.

– Mi tartja Önben, Önökben a lelkesedést, ha ez egy ilyen hosszútávú cél?

– Amikor fiatal voltam, nem érdekeltek az emberek, de aztán itt a BME-n az oktatás elkezdett érdekelni. Most az egyik legnagyobb motiváció a fiatalokat oktatni és az egész európai fúziós programnak is ez a központi eleme. Most próbáljuk fölnevelni az ITER-nemzedéket, akik képesek lesznek megérteni, hogy az ITER tokamak miért és hogyan működik, és ez alapján képesek lesznek a fúziós energiatermelő reaktorok megtervezésére és üzemeltetésére.

 TRUPKA ZOLTÁN

2017/7