Ha az energiaválság és ezzel párhuzamosan a klímaváltozásról esik szó, a megújuló energiák mellett a másik reménysugárként sokszor felmerül a fúziós energiatermelés lehetősége. A fúziós energia az elmúlt évtizedekben kicsit olyasmivé vált, mint egy mese vagy egy mítosz szereplője: mindig ott van az emberiség előtt, szinte már karnyújtásnyi távolságra, de valójában elérhetetlenül.
Könyveket lehetne megtölteni a magfúzió energiatermelésre való felhasználásának technológiai nehézségeivel, az elbukott kísérletekkel vagy éppen a reményt keltő utakkal. Az viszont alapvető igazságként van kezelve, hogy amennyiben végre-végre legyőzzük az akadályokat, és meglesz a módja egy stabil, viszonylag olcsó fúziós erőmű megépítésének, onnantól az emberiség egy új, csodálatos korszakba lép: a világegyetem leggyakoribb eleméből olcsón, környezetszennyezés nélkül előállítható „ingyen” energia korába.
A hiányzó izotóp
De mi van akkor, ha miután végre sikerül utolérnünk és befognunk a fúziós energia csodaszarvasát, akkor rájövünk, hogy nincs mivel etetnünk? Valójában ugyanis ez a helyzet fenyeget: miközben még mindig évtizedekre vagyunk a végtelen fúziós energiától, már most kifogyóban van a fúziós reaktorok üzemanyaga.
A hidrogén, amiről néhány sorral feljebb írtuk le, hogy a leggyakoribb elem a világon!? – teheti fel az olvasó magának a kérdést. Igen is meg nem is. A leginkább megvalósíthatónak tekintett fúziós reaktorok valóban hidrogénatomokat egyesítenek, de nem azok legelterjedtebb változatát, azaz a prócium nevű izotópját, amely a természetben előforduló hidrogén nagyjából 99,98 százalékát adja. A kísérleti fúziós reaktorokban a hidrogén két másik természetes izotópja, a deutérium s a trícium atommagjai egyesülnek egy hélium atommaggá, valamint egy neutronná.
Annak a magyarázata, hogy pontosan miért, az mind e cikk, mind e szerző tudásának kereteit szétfeszítené, mindenesetre a tudósok azért választották ezt a két izotópot, mert fúziójuk viszonylag alacsony hőmérsékleten beindítható és fenntartható. Mivel még ennek a technikai kihívásait sem sikerült maradéktalanul leküzdeni, a fúziós energiával foglalkozó kutatók többsége egyetért abban, hogy a közeljövőben ez is marad az egyetlen megvalósítható alternatíva. Erre a két izotópra épül a Franciaországban 2035-ben már teljes üzemben működtetni tervezett, és ezzel a megvalósuláshoz messze a legközelebb álló fúziós reaktor, az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor) is, amelynek tehát megbízható deutérium- és tríciumutánpótlásra van szüksége már a kísérleti üzemhez is.
A deutériummal nincs is gond, hiszen tonnaszámra vonható ki a tengervízből elég egyszerűen és olcsón. A tríciummal viszont más a helyzet. Kedves olvasó, tippeljen: vajon mennyi van jelenleg ebből, az atommagjában egy proton helyett két neutron és egy protont tartalmazó, enyhén radioaktív izotópból összesen a világon?
20 kilogramm.
Nem elírás, a legfrissebb becslések szerint a világ jelenlegi tríciumkészlete húsz kilogramm. Az is igaz, hogy a deutérium és a trícium fúziója elképesztő energiákat szabadít fel, egyetlen gramm D-T keverék nagyjából 10 ezer tonna szén elégetésének megfelelő energiát termel, az ITER kísérleti reaktorának beindításához pedig mindössze 0,5 grammra lesz szükség.
Azonban a stabil működéshez így is stabil trícium-utánpótlás kell, ha pedig máshol is kísérleti, esetleg később kereskedelmi célú D-T fúziós reaktorok épülnek, akkor még többre is. És van még egy kis gond: a radioaktív trícium rendkívül rövid felezési idejű anyag, egy atomja 12,3 év alatt 50 százalék eséllyel bomlik külső beavatkozás nélkül a hélium egyik természetes izotópjává. Ez az jelenti, hogy az ITER 12 év múlva történő beindításának idején a mai 20 kilogrammos készletből természetes úton is már csak 10 kilogramm maradna csak.
A trícium jelenlegi egyetlen gazdaságos előállítási formája az, hogy az anyag melléktermékként jön létre a nehézvizes nukleáris reaktorokban. A gond az, hogy ilyen technológiát használó atomerőművekből jelenleg már csak kevesebb mint 30 működik világszerte, ezek egyenként nagyjából 100 gramm tríciumot termelnek évente. Bár India tervez újabb nehézvizes blokkokat építeni, a termelés évtizedes időtávban még inkább tovább fog csökkenni növekedés helyett.
Nem csoda, hogy a váratlan kereslet és a szűkös termelés hatására a trícium a világ egyik legdrágább anyagává változott, jelenleg nagyjából 30 ezer dollár (11 millió forint) egyetlen grammja. Egy folyamatosan áramot termelő 1 GW teljesítményű fúziós reaktornak a becslések szerint nagyjából 55 kilogramm tríciumra lenne szüksége évente. Lehet számolgatni, hogy akkor a világ energiaszükségletének bizonyos százalékaihoz mennyi trícium kellene évente, de a lényeg, hogy sokkal, sokkal több, mint amennyit most előállítunk. Hogy még egy kicsit rosszabb legyen a helyzet: tríciumra a nukleáris fegyverekhez és a hadiipari kutatásokhoz is szükség van, igaz, jóval kisebb mennyiségekben.
Ötletekkel tele a padlás
Persze vannak más módszerek a trícium előállítására, de ezek ilyen mennyiségek esetén elképesztően drágák lennének. A tudósok viszont előálltak a tökéletes megoldással. A D-T fúziós reakció közben a reaktormagból nagy energiájú neutronok szabadulnak fel. Ha ezek útjába lítium-6 izotópokat teszünk, akkor ezek elnyelik a neutronokat, és közben trícium képződik. (Ezt is, és általában a fúziós energiatermelést is a lehetőségekhez képest közérthetően magyarázza el Dr. Dunai Dániel, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársa az alább megtekinhető előadásában.)
„A számítások azt mutatják, hogy egy jól megtervezett tríciumszaporító takaró képes lenne elég tríciumot szolgáltatni ahhoz, hogy az erőmű önfenntartó legyen üzemanyag tekintetében, miután külső forrás felhasználásával beindítottuk”
– mondja Stuart White, az ITER melletti másik nagy kísérleti projektet, a JET-et futtató brit atomenergia-ügynökség szóvivője. Heuréka? Nem annyira.
Ez ugyanis elméletben nagyon jól hangzik, de egyelőre csak elmélet. Az elmélet teszteléséhez viszont egy működő fúziós reaktorra lenne szükség, az pedig ugye egyelőre nincsen. Az ITER-projektnek az eredeti terek szerint része lett volna a tríciumelőállító borítás tesztelése is, ám miután a költségek a tervezett 6 milliárd dollárról 25 milliárdra nőttek (és még messze vagyunk a beindítástól), ez a rész csendben elfelejtődött. Ha viszont a tesztelés majd csak évekkel az első reaktor beindítása után kezdődik majd, akkor könnyen járhatunk úgy, hogy elkészülhetének az első fúziós erőművek végre, csak éppen üzemanyagunk nem lesz hozzájuk.
A gordiuszi csomót egy másik technológia, a hidrogén-bór fúzió vághatja át. Ennek hívei szerint a mesterséges intelligencia és a nanotechnológia fejlődése már elavulttá tette azt az elképzelést, hogy kizárólag a deutérium-trícium fúziót lehetünk képesek kontrollált körülmények között létrehozni és megcsapolni. A hidrogén-bór fúzió megvalósításával foglalkozó egyik cég, a TAE Technologies vezetője azt ígéri, hogy 2025-re elérik a megvalósítás első fontos mérföldkövét, amikor a fúziós reakció már több energiát termel, mint amennyit bele kell táplálni. A bór a deutériumhoz hasonlóan tonnaszámra vonható ki a tengervízből, csakhogy a technológia tesztelése évtizedekkel van lemaradva a tríciumos változathoz képest.
„A fúzió nagyon, nagyon nehéz dolog, és a deutérium-trícium megoldáshoz képest minden más még százszor nehezebb. Egy évszázad múlva talán már másról fogunk beszélni”
– fogalmaz Scott Willms, az ITER egyik vezető mérnöke. A kérdés, hogy van-e a technológiai civilizációnak még száz éve fúziós energia nélkül. Az mindenesetre a sors igen kegyetlen iróniája lenne, ha a világot megmentő ingyen energia álma nem a technológiai korlátokon, hanem az üzemanyagon bukna el végül.
