Nem kell atomfizikusnak lenni ahhoz, hogy megértsük, napjaink legégetőbb problémái: a túlnépesedés, a klímaváltozás, a háború, és a technikai fejlődés is növeli az emberiség energiaéhségét. Lehetséges-e energiából a mainál jóval nagyobb mennyiséget előállítani úgy, hogy ne növeljük a bolygónkra nehezedő károsanyag-kibocsátást? Legfontosabb energiaforrásunk a Nap – így kezdődik egy lecke a hetedikes fizika tankönyvben, majd azt is megtudjuk, hogy a Napban és a többi csillagban folyamatos energiaátalakulás zajlik, ez a hő- és fényforrás tartja fenn a víz körforgását, a légmozgást, valamint a földi életet. Amikor egy évtizede a fiammal erről beszélgettünk, még ritkán esett szó megújuló energiáról, szélerőműveket is csak az osztrák-magyar határ mentén láttunk, napjainkban pedig már arról cikkeznek, kizárólag a fúziós energia mentheti meg a világot. Hogy mit is jelent pontosan a Nap működését elleső technológia, amellyel szinte soha ki nem merülő energiaforráshoz juthatunk, arról egy nyári grillezés közben kezdtünk beszélgetni Richard Pitts atomfizikussal, aki az első kísérleti erőmű, a dél-franciaországi ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) nemzetközi tudós csapatának tagja.
– Azt olvastam, hogy ez a fantasztikus filmekbe illő berendezés az egyik legbonyolultabb dolog a világon, amit emberek építettek, igaz ez?
– Nem gondolom, hogy az lenne, de összetettségét tekintve napjaink más, olyan nagy tudományos projektjeivel, mint a CERN Nagy Hadronütköztetője vagy a nemrégiben indított James Webb-űrtávcső határozottan egyenértékű. Ami azonban egészen bizonyos, hogy ez messze a legbonyolultabb létesítmény, amelyet a földi fúzió területén próbálunk megtervezni és összerakni. Mindamellett, hogy nehéz a Földön nagy nyereségű irányított fúzió demonstrálásához szükséges méretű gépet építeni, fontos tudni, hogy nukleáris eszközről van szó, ezért igen szigorú biztonsági előírásoknak kell megfelelnie. A világ villamosenergia-szükségletének jelenleg 10 százalékát fedező, atommaghasadáson alapuló erőművekkel ellentétben, az ITER érkezéséig nem volt engedélyezett nukleáris fúziós telep. Ez az eddig épített, kísérleti berendezések között messze a legnagyobb, egy erőműhöz szükséges méretben építik, és igazán nemzetközi a maga nemében: hét tag (EU, Egyesült Államok, Japán, Dél-Korea, India, Oroszország és Kína) együttműködése, ezek pedig a világ népességének több mint a felét képviselik. Eljön majd az idő, amikor a fúziós erőművek remélhetőleg olyan megszokottá válnak, mint a maghasadáson alapulók, sőt, végül teljesen ki is váltják azokat.
– Mit jelent a fúziós (termonukleáris) erőmű és hogyan képes a Nap energiatermelését „lemásolni”?
– Valóban érdekes, hogy maga a létünk és túlélésünk ezen a bolygón teljesen a Nap energiájának köszönhető, ennek az erőműnek a forrása is a nukleáris fúzió folyamata. És míg sokan hallottak legalább az „atom széthasítása„ kifejezésről (az atommaghasadás folyamatának népszerűbb elnevezéséről), kevesen ismerik a több energiát felszabadító fúziós reakciókat. Hasadáskor az atommag kisebb részekre bomlik, amelyek össztömege valamivel kevesebb az eredeti tömegnél. Ez a tömegkülönbség energia formájában jelenik meg. Hogy mennyi energiában, azt Einstein híres egyenlete határozza meg: E=Δm·c2, ahol Δm a tömegkülönbség és c a fénysebesség, ami egy nagyon nagy szám. A magfúzió ennek a folyamatnak az ellentéte, amely során a nehéz atommag (mint az urán) hasítása helyett két könnyebb atommagot egyesítünk. Az új, egyesült atommag tömegében megint csak kicsivel kevesebb, mint a két eredeti atommag összesen, és a tömegkülönbség energiafelszabadulásában jelenik meg, amit gőz-, és végül áramfejlesztésre lehet használni. Olyan feltételeket kell biztosítanunk, amelyek mellett az atommagok elég gyakran kellően közel kerülnek egymáshoz, hogy a fúziós reakciók bekövetkezzenek. Ezt sokkal nehezebb elérni, mint a nehéz atommagok hasadását. Ez a fő oka annak, hogy ilyen sok időbe került, hogy eljussunk oda, ahol ma az ITER tart.
Az 1950-es években Oroszországban elkezdett első kísérletek óta különböző fúziós energiatermelési koncepciókkal foglalkoztunk, és még mindig nincs fenntartható reakciónk. Az ITER-nek az a célkitűzése, hogy ezt létrehozza, és ennél tovább is menjen, először a világon tiszta fúziós energiát termeljen.
Több energiát fejlesszünk, mint amennyit ráfordítunk
– Hogyan érik ezt el?
– Nos, több járható út is van, de a legfejlettebb módszer a mágneses bezárás alkalmazása. A mágneses bezárás használatának több módja közül ma a Tokamak a műszakilag legelőrehaladottabb koncepció. Az ITER-ben épül az eddigi legnagyobb ilyen berendezés. A Napban a fúzió protonok reakciójaként megy végbe: 4 proton (hidrogénatommag) egyesül, hogy létrehozzanak egy héliummagot. A Nap hatalmas méreténél fogva a gravitáció a hidrogén tüzelőanyagot a Nap magjában olyan sűrűségűre préseli és olyan magas hőmérsékletűre hevíti, hogy bekövetkezik a fúzió.
Meglepő, hogy ez a folyamat másodperceként 600 millió tonna hidrogént éget el. Ezt teszi többmilliárd éve és fogja tenni még többmilliárd évig. Ilyen körülményeket nyilvánvaló okok miatt a Földön sajnos nem tudunk létrehozni. A tokamak berendezésekben ehelyett nehéz hidrogénizotópokat (deutériumot es tríciumot) használunk, ami lehetővé teszi, hogy a Napénál sokkal kisebb sűrűség mellett termeljünk fúziós energiát. Az alacsonyabb sűrűség használatának azonban az az ára, hogy a fűtőanyagot sokkal magasabb hőmérsékletűre, a Nap középpontjában levőnél körülbelül tízszer melegebbre kell hevítenünk ahhoz, hogy a fúzió elég intenzíven működjön. Ezen a hőmérsékleten az összes elektron leválik a hidrogénatomokról, ezt nevezik plazmának, a negyedik halmazállapotnak. Ezen a hőmérsékleten a plazmát távol kell tartani annak a kamrának a falától, amelyben a fúziós reakciókat elindítjuk, ezért egy fánk alakú tartályt használunk és körbevesszük erős mágnesekkel.
Az ITER mágneses bezárást használ a fúzióhoz
– Mivel a plazma töltött részecskékből (elektronokból és ionokból) áll, amelyek mindig a mágneses mező erővonalait követik, a mágneses mező segítségével terelhetjük a részecskéket és csökkenthetjük a kamra falával való kölcsönhatásukat. Valójában ez ennél kissé bonyolultabb, mert a kívülről létrehozott mágneses mező egyedül nem elég a bezáráshoz. A plazmában keltett elektromos áram ál-tal létrehozott mágneses mező hozzáadódik a külső térhez, az eredmény egy olyan mezőszerkezet, amely úgy tekereg a fánk belsejében, mint egy dugóhúzó. Így a plazma csapdába kerül ebben a mágneses ketrecben. Tehát nem „másoljuk” le pontosan a Napban lejátszódó fúziót, a Nap a gravitációt használja, míg mi a tokamakban a mágneses mezőket használjuk a forró plazma egybentartására.
TOKAMAK
A Tokamak az orosz „toroidalnaja kamera sz magnyitnimi” katuskami kifejezés rövidítése (magyarul: tóruszkamra mágnestekercsekkel). Ötlete az 1950-es évekbe nyúlik vissza, Igor Tamm és Andrej Szaharov találtak ki, Moszkvában.
Energiaszelídítők a világ minden pontjáról
– Nikola Tesla már a századfordulón kísérletezett koncentrált napenergia erőművel, Teller Ede a 30-as évek végén is foglalkozott a termonukleáris fúzió elméletével, miért csak mostanában, közel száz évvel később tértek vissza a tudósok erre a területre?
– Tesla, bár megelőzte a korát azzal, hogy elsőként vetette fel a megújuló energiatermelés koncepcióját (nap-, geotermikus és szélenergia), soha nem tekintett semmilyen fúziós reaktort az energiatermelés lehetséges formájának. Teller úttörő munkássága a termonukleáris fúzió terén természetesen ismert, de nem az irányított fúziós reakciók területén. Említettem, hogy a fúziós folyamat irányításának az ötlete (ellentétben a hidrogénbomba gyártásával) csak az ötvenes években merült fel, és a tudósok azóta is, tehát nagyjából 70 éve világszerte próbálkoznak, hogy sikerüljön. Ebből is látható, hogy ez mennyire nehéz.
– A sajtóhírek szerint az erőmű nagyjából 60%-os készültségű, és a teszteléseket követően 2050 körül lesz képes elektromos energiatermelésre, ez rettentő távoli időpont.
– Először is, az ITER az első plazma létrehozásához 75 százalékban kész, előbbre tartunk, mint amit a magyar sajtóban olvashattak. Most már gyorsan haladunk, de az összeszerelés utolsó szakaszai nagy kihívást jelentenek, és még van mit tenni. Másodszor pedig, fontos lenne, hogy az olvasók megértsék, maga az ITER soha nem fog áramot termelni. A létesítménynek nem ez a fő célja, nem is erre tervezték. A fő célkitűzés az, hogy megmutassuk a tiszta fúziós energia kinyerésének lehetőségét, elsőként azt kísérelve meg, amit Q-10 teljesítménynek nevezünk. Azt próbáljuk meg, hogy plazmát készítünk, amelyben a fúziós reakciók által felszabadított energia tízszer nagyobb, mint amennyit a fúziós reakciók kiváltásához a plazmába táplálunk. Azt is meg kell mutatnunk, hogy a működést egész hosszú időn keresztül is képesek vagyunk fenntartani. A Q-10 projekt megköveteli, hogy a plazmát minden egyes begyújtáskor körülbelül 10 percig olyan körülmények között tartsuk, hogy ezzel folyamatosan 500 MW energiát termelünk. Ha belegondolunk abba, hogy a mai napig rekordnak számító fúziós teljesítmény – amit az angliai JET (Joint European Torus) tokamakban értek el 1997-ben – 16 MW volt körülbelül 2 másodpercig, akkor ez igazán hatalmas ugrás. Hogy milyen nehéz ezt megcsinálni, azt az idő is mutatja, hiszen ha az ITER eléri a Q=10 mérföldkövet, amit jelenleg a 2030-as évek végére várunk, akkor ez több mint 30 évet jelent az első JET-kísérletek óta.
Olcsóbb vagy biztonságosabb lesz a fúziós áram?
– Reméljük, hogy harminc év múlva már minden országban lesz fúziós reaktor. Akár az is megtörténhet, hogy családi házak is üzemeltethetnek egy „minireaktort” – ezzel pedig búcsút mondhatunk az áramszámláknak?
– Ugyan az ITER még nem kezdte meg a működését, de a legtöbb partnerország jelenleg már különböző szemléltető erőmű reaktorok vázlat tervein dolgozik, olyanokon, amelyek névleges energiatermelését – az ITER koncepcióját egy kicsivel nagyobb méretben alkalmazva – növelni tudják. Amint az ITER megmutatja, hogy ez járható út, az országok ez alapján haladhatnak tovább. Ezek a tervek általában nagyjából 500- 1000 MW teljesítménnyel számolnak, tehát körülbelül a felével annak, amit a paksi atomerőmű nyújt. A mai áramfogyasztást véve alapul Magyarországnak például néhány ilyen reaktorra lenne szüksége. Egy dolgot egészen biztosan meg tudok mondani: nem lesz az emberek kertjének végében korlátlan mennyiséget ingyen nyújtó mini fúziós erőmű. Az általam ismert tanulmányok, amelyekben megpróbálták kiszámolni, hogy ha egy napon a kereskedelmi erőművek megépülhetnek, mennyibe is fog kerülni a fúziós áram, azt mutattatták ki, hogy ugyanannyit fogunk fizetni érte, mint ma a maghasadásos atomerőművekben termeltért. De a fúziós áram sokkal tisztább és biztonságosabb lesz.
Géniuszok tegnap és ma
– Magyarország több, rendkívül tehetséges matematikust és fizikust adott a világnak, pl. Neumann János, Szilárd Leó, Wigner Jenő, Teller Ede, ismeri a munkásságukat?
– Minden magára valamit is adó fizikus ismeri ezeket a kivételes tudósokat és a munkásságuk több vonatkozását. Magam is széleskörűen olvastam róluk, mert érdekel a fizika története. De, ha nem is tudnék róluk semmit, 30 éve vagyok egy büszke magyar nő férje, ezeket a nagy neveket nem valószínű, hogy ki tudtam volna kerülni.
– Mit gondol, számít a tudományos életben az, hogy ki, melyik országból jött?
– Nem igazán. Minden elegendő népességű (mondjuk többmilliós) országban, amelynek tisztességes oktatási rendszere van, ugyanannyi a statisztikai valószínűsége annak, hogy adott számú tehetséges embert képezzen, akik a tudományos kutatásban később sikereket érhetnek el. Ha feltételezünk bizonyos szintű eredendő adottságot és a természeténél fogva érdeklődő elmét, ahhoz, hogy a tehetség kifejlődjön, leginkább az számít, hogy az egyén otthon és az iskolában is támogató környezetben legyen. Ahogy az én esetemben is, gyakran a szerencsétől is függ, de nagyon sokat számít, ha inspiráló tanárai, mentorai vannak az embernek. Nyilvánvalóan szomorú dolog, hogy nem minden esetben fedezik fel a sokakban meglevő, potenciális tehetséget.
ATOMMAGHASADÁS
Szilárd Leó ötlete alapján 1942. december 2-án indították meg a Chicago Pile-1-et, a világ első önfenntartó nukleáris láncreakcióját. A maghasadáson alapuló villamosenergia-termelés közhasznú hálózatát már nagyjából 20 évvel az első kísérleti atommáglya bemutatása után elkezdték kiépíteni.
– Ön mikor ébredt rá, hogy fizikával szeretne foglalkozni?
– Már gyerekkoromban megragadott és elbűvölt a tudomány, a tudományos-fantasztikus irodalom, hogy miként működik a világ. N em emlékszem pontosan, de akkor jutott először eszembe, hogy felnőttként valamilyen tudományos munkakörben szeretnék dolgozni, amikor 14 évesen elkezdtem olvasni az Ameri-kában és Nagy Britanniában 1978- ban megjelent Omnia nevű sci-fi magazint és faltam minden számát. Legendás folyóirat volt, és biztos vagyok benne, ahogy rám, úgy számtalan kamaszra volt ösztönző ha-tással. 1997-ben, az egyik alapító halála után a lap sajnos megszűnt.
– Hogyan került az ITER nemzetközi csapatához és mi az Ön területe?
– 2008 júniusában érkeztem, ezt megelőzően 22 évig dolgoztam magas hőmérsékletű plazma és tokamak kutatóként Svájcban és Nagy-Britanniában. Az én szakterületem a fúziós kutatáson belül plazma határ-fizika és plazma-fali kölcsönhatások. Ez a tokamakban, a forrómagú plazmának teljesen a szélén lévő, viszonylag hűvösebb területek tanulmányozása, ahol a plazma a kamra falával kerül kölcsönhatásba. Ez a fúzió sikere szempontjából kritikus terület. Biztosnak kell lennünk abban, hogy a kereskedelmi fúziót műszakilag és gazdaságilag működőképessé tesszük, megfelelő élettartamú gépet tudunk építeni. Ebben végzek kutatómunkát, de ez mára nagy részben lecsökkent az ITER tagországokban dolgozó rengeteg tehetséges munkatárs koordinálására. Ők adják továbbra is az ITER jövőbeni működéséhez elengedhetetlen kutatási eredményeket.
– Van ennél a projektnél nagyobb kihívás egy fizikus számára napjainkban?
– Mondjuk úgy, hogy ez az egyik legkiemelkedőbb probléma a jelenben, amin fizikus dolgozhat. A mai fizikában a magas hőmérsékletű, mágneses plazma megértése az egyik legbonyolultabb terület. De a fúziós energiafejlesztés célkitűzése ugyanannyira szól a mérnöki kihívásokról, mint a fizikáról. Az ilyen reaktorok építésének pont az az egyik legérdekesebb vonatkozása, hogy szükség van a tudomány és a mérnöki tudás minden elképzelhető szakágára. Az ITER–csapat gyakorlatilag tele van minden terület szakembereivel és rendkívül inspiráló ilyen környezetben dolgozni. Úgy gondolom, hogy a mi generációnk a csúcsához érkezett annak, aminek elérésén az előző korok tudósai és mérnökei több, mint 70 év óta dolgoztak. Izgalmas és felemelő ebben részt venni.
Pápai Ildikó
