Közelgő események
  • Nincs közelgő esemény


A fúziós energia valós helyzete

Az atomenergia egyik alternatívájának vallott fúziós energia valódi alkalmassága vizsgálatra szorul. Sok évnyi komolytalan támogatottsság után az idő sürget, hogy választ találjunk a fúziós energia alkalmazhatóságára.

Fúzió, Alapok

Az atomenergia – mind a fúzió, mind a hasadás – azt használja ki, hogy az atom tömege kisebb, mint az alkotórészeinek össztömege. A jelenség magyarázata az atomokat összekötő erőkben rejlő energiákban keresendő. Ahogy Albert Einstein híres törvényében a tömeg-energia-ekvivalencia elvben megfogalmazta: E = mc2, vagyis a kötésből felszabaduló energia arányos a tömeg hiányával. Ezt a tömeghiányt hívjuk tömegdefektusnak (1. ábra). Energiát nyerhetünk nehéz atommagok kettéhasításával (maghasadás), vagy két atommag egyesítésével (fúzió).

1. ábra Tömegdefektus: Az egyes elemek atomjainak tömege kifejezve az atomot alkotó protonok, neutronok és elektronok tömegének százalékaként.

A fúzióval az alapvető probléma, hogy az atommagot alkotó protonokat és neutronokat összekötő erős kölcsönhatás hatótávolsága rohamosan csökken a távolsággal, így hamar az elektrosztatikus taszítás veszi át az uralmat. Ahhoz, hogy két atommagot fúzionáljunk le kell győzni ezt a taszítást, hogy csak az erős kölcsönhatás legyen érvényben.

Az idők folyamán sok módszer és elmélet alakult ki a fúzió lehetséges felhasználásával kapcsolatban. A választott megoldás, melyre a technológia fejlesztését építik a hidrogén két iztopójának fózionálásán alapuló reaktorok. A folyamat során deutérium és trícium atommagokat melegítenek olyan magas hőmérsékletre (néhány százmillió fokra), hogy a hőmozgásból származó energia felülmúlja az elektrosztatikus taszítást. Ezen a hőmérsékleten az anyag szétbomlik atommagokra és elektronokra, vagyis plazma halmazállapotúvá válik. A hatalmas hőmérséklet miatt a plazma nem érhet a reaktor falaihoz. A leszakadó elektronok miatt elektromosan töltött lesz, így mágneses mezővel kordában tartható.

A reakció folyamán egy deutériumból és egy tríciumból egy hélium és egy neutron keletkezik:

2H + 3H -> 4He + n

A felszabaduló energia 20%-át a hélium ion kinetikus energiaként elviszi (3,5 Mev/ion). Mivel a hélium ionizált, ezért töltött, így kölcsönhat a mágneses térrel, tehát végül ütközik a plazmával miközben leadja kinetikus energiáját és így fűti a plazmát. Ha ez a folyamat, melyet begyújtásnak nevezünk sikeres ez lesz az egyetlen hőforrás a plazmában.

A maradék 80%-a a felszabaduló energiának a neutronok kinetikus energiájában található (14,1 Mev/neutron). Mivel a neutron nem töltött, így kijut a plazmából. Egy áramtermelő reaktorban a plazmát körülveszi egy köpeny. Ennek a köpenynek adják át a plazmát elhagyó neutronok a kinetikus energiájukat ütközés által, így melegítve azt. Ez a fő hőforrása a víz melegítésének, melynek segítségével turbinákat hajtanak meg.

A tengervízben tömérdek mennyiségű deutérium található, ahol a hidrogénnek mintegy 0,03%-át teszi ki. A kozmikus sugarak által generált trícium természetes formájában azonban elenyésző mennyiségben fordul elő. Felezési ideje 12,3 év, szóval egy időben maximum 3,6 kg-nyi természetesen előállított trícium található bolygónkon, az összes többi mind mesterségesen előállított eredetű. Egy kereskedelmi reaktorban a köpeny is termel tríciumot, ugyanis valamilyen formában lítiumot fog tartalmazni, ami reakcióba lép a plazmából érkező neutronokkal:

n + 6Li -> 3H + 4He

Ezt a lítiumot gyűjtik majd be, hogy táplálják a fúziót. A 6Li egy természetes izotóp és az összes természets lítium mintegy 5-7%-át teszi ki. A trícium szaporító reakció exoterm, így körülbelül 20%-al növeli meg a netto hőtermelést.

Első ránézésre úgy tűnik, mintha ezek a reakciók a következővé lennének összevonhatók:

2H + 6Li -> 2 4He

Azonban ez csak akkor lenne igaz, ha a fúzió során keletkező összes neutron reagálna a lítiummal, hogy tríciumot hozzon létre, és az összes így keletkezett tríciumot be tudnánk táplálni a fúzióba, hogy résztvegyen a neutron keltésben. A valóságban azonban több veszteség is előfordul, így ez a lánc nem teszi lehetővé, hogy elegendő tríciumot termeljünk a fúzió fenntartásához. Összesen 1,1-es trícium szaporító rátát várnak el ettől a folyamattól, ami azt jelenti, hogy minden 10 kg befektetett tríciumból 11 kg-ot nyerünk vissza a köpenyben.

2. ábra Az évek során elért mágneses elkülönítés fejlődése. A fúzió terméke a plazmasűrűség részecske/m3-ben, szorozva azzal az idővel (másodpercben), amit a plazma ilyen állapotban tud tölteni, szorozva az ion hőmérséklettel Kelvinben mérve. A begyulladáshoz szükséges 3*1028-os érték a JD Lawson által 1955-ben megfogalmazott Lawson kritérium. Az legjobb eredményt eddig a JET és a JT-60U projektek érték el, közel az energia-áttöréshez (Q=1), vagyis a befektetett energia majdnem megközelítette a kinyert energiát.

Mágneses elkülönítés

Ahogy korábban említettük a plazma elkülönítését mágneses mezővel tudjuk viszonylag egyszerűen megoldani, ezen belül is az oroszok által kifejlesztett torroid geometriájú tokamak rendszer a leghatékonyabb. A legnagyobb és legsikeresebb tokamak ezidáig az egyesült királyságbeli Culhamban található JET rendszer, megly 1997-ben érte el 16 MW-os teljesítménycsúcsot ért el.

3. ábra Jósolt és mért elkülönítés idők 13 különböző fúziós eszközre különböző körülmények között, valamint az ITER és a kereskedelmi reaktorok várt helyzete a meglévő megoldások felskálázása után.

A fúziós energia kritikusai ezeket az eredményeket kudercként értékelték, ugyanis egyik kísérlet során sem nyertünk ki több energiát, mint ami a befektetett volt. Igazság szerint egyiket sem azzal a céllal építették, hogy elérje az energia-áttörést, hanem hogy megértsék és tanulmányozzák a plazma viselkedését és tulajdonságait. Az elmúlt negyven évben négy nagyságrendel tudtuk a reakciós rátát növelni (3. ábra).

 

Habár még sokat kell dolgozni a plazma szabályozásán, mostanra elértünk egy olyan fázishoz, ahol már magabiztosan azt mondhatjuk, hogy a reaktor méretének felskálázásával több energiát fog termelni a fúzió, mint amennyit belefektetünk. Egy ilyen képességű reaktor tervei és a főbb alkotóelemeinek prototípusai már el is készültek. 2006 november 21-én a franciaországi Cadarache-ban sok évnyi késés után aláítrák egy egyezményt az ITER nevű reaktor megépítéséről (4. ábra). A projekt pénzügyi támogatói az EU, India, Japán, Oroszország, Dél Kórea és az USA.

4. ábra A JET és az ITER vázlata. A kép bal alsó sarkában álló ember adja meg a skálát.

Az ITER plazmáját három fő forrásból fogják táplálni: egy transzformátor, mely 15 millió ampert áramoltat a plazmába; semleges nagyenrgiájú trícium és deutérium nyalábokat a plazmába lőve; és rádiófrekvenciás energiával, amit a falakra erősített antennákkal küldenek a plazmába, hogy fenntartsák a rezonanciát. Az ITER mintegy 500 MW-os teljesítményre lesz képes, kevesebb mint a befektetett energia tizedéből és tartani ezt a teljesítményt 400 másodpercig (Q>10) (A Q érték jelenti a befektett és kinyert energia arányát. Vagyis, ha a befektetett energiát egy az egyben visszanyerjük, akkor Q=1. Ha a kinyert energia mondjuk tízszerese a befeketetettnek, akkor Q=10.). Valamint képes lesz 500 MW teljesítményt elérni egy órán keresztül a befektetett energia ötödéből (Q>5). Habár nincs célként kitűzve, de remélik, hogy a begyújtás nevű fázist elérik, ahol a reakció önellátó lesz, vagyis nem kell többé befektetni energiát, hogy a reakció folytatódjon (Q=végtelen).

Az ITER után

Egy jelentős akadály, amit át kell lépni az a reakciós kamra belesejében elhelyezkedő szaporító köpeny tervezése és kivitelezése. Ez a köpeny három célra kell: a fúziós energia hőenergiává alakítása; több trícium előállítása a folyamat táplálásához; és, hogy megvédje a kamra falát valamint a szupravezető tekercseket a neutrínó besugárzástól. Sok köpeny tervezet készült, de mindegyiknek megvan a maga hibája. Az ITER így az első években biztosan nem lesz felszerelve egy teljes trícium szaporító köpennyel. A kamra nagyrészét eleinte csak neutron befogó és hőelnyelő köpennyel burkolják be, hogy megakadályozzák a reaktort a túltöltődéstől. Hagynak azonban egy kis helyet, hogy különböző szaporító köpenyeket is le tudjanak tesztelni.

Az ITER utáni következő jelentős lépés a DEMO nevet viselő reaktor lesz, melyben a remények szerint már elektromos áramot fognak termelni. A DEMO már teljes trícium szaporító köpennyel fog rendelkezni. Ezeknek a köpenyeknek extrém körülményeket kell kibírniuk, ugyanis itt fog először kapcsolatba lépni a fúzionáló plazma a fallal. Az ITER köpenyeinek első falán lévő hőfluxus 0,1-0,3 MW/m2 lesz és várhatóan 0,5 MW/m2 a DEMO-ban. Az ITER esetében elfogadható, hogy a köpenyt jól tudják hűteni, azonban a kereskedelmi reaktorokban, ahol gőz áramoltatással kívánnak áramot termelni a köpenyek a lehető legnagyobb hőmérsékleten fognak üzemelni, mintegy 500-800 ˚C-on. 

Elméletileg nem keletkezik a folyamat során radioaktív hulladék, hiszen a tríciumot újrahaszonsítják. A mellékhatások miatt a valóságban azonban mégis keletkezik hulladék, mint például a neutrínó bombázás, vagy a trícium beépülése a reaktor szerkezetébe. Ez hatni fog a szerkezet részeinek cseréjére, valamint a reaktor üzemen kívül helyezésére. Nehéz előre megbecsülni a várható szennyeződés mértékét, azonban úgy számolják, hogy két nagyságrendel kevesebb radioaktív hulladék keletkezik így, mint a hasadásos reaktorokban, és az is rövid életű lesz. Vagyis 100 év elteltével kevesebb szennyező sugárzása lesz a hulladéknak, mint egy azonos méretű szénerőmű hulladékának (5. ábra). Ahhoz, hogy ezt elérjük az szükséges, hogy a trícium újrahaszonsítása a lehető legveszteségmentesebb legyen.

5. ábra A sugárzszennyezés csökkenése az időben.

Az anyagok tesztelése és fejlesztése, melyeknek el kell viselni ezeket a nem mindennapi körülményeket létfontosságú a fúziós energia terjedésének szempontjából. Mivel az ITER legalább 10 évig nem fog plazmát termelni (és utána közel sem fog akkora neutron fluxust termelni, mint a DEMO) úgy döntöttek, hogy építenek egy kisebb létesítményt, ami szimulálja a DEMO-ban uralkodó körülményeket. A létesítmény neve International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF).

Az alábbi táblázatban találhatók a már megoldott, vagy megoldásra váró problémák:

Cikk

Meglévő reaktorok

ITER

IFMIF

DEMO Fázis 1

DEMO Fázis 2

DEMO Fázis 3

A plazma szétesés elkerülése

2

3


C

R

R

Állandó működés

1

3


3

r

r

A terelő teljesítménye

2

3


R

R

R

Plazma égetés Q>10-el


3


R

R

R

Az erőmű plazma teljesítménye

1

3


C

R

R

Trícium önellátás


1


3

R

R

Anyagok jellemzése



3

R

R

R

A plazma felé néző felület élettartama

1

2


2

3

R

A fal/köpeny/terelő élettartama


1

2

2

3

R

A fal/köpeny kompo-nenseinek élettartama


1

1

1

3

R

Semleges nyaláb/rádió frekvenciás fűtés teljesítménye

1

3


R

R

R

Elektromos áram termelés nagyléptékben




1

3

R

Szupravezető gép

2

3


R

R

R

Trícium kérdés

1

3


R

R

R

Távoli irányítás

2

3


R

R

R

Jelmagyarázat:

1

Segít megoldani a kérdést

2

Talán megoldja a kérdést

3

Meg kéne oldania a kérdést

C

A megoldás megerősístése szükséges

r

A megoldás várt

R

Megoldás szükséges

Időtábla 

A különböző jövőbeli reaktorok időtáblája a 6. ábrán látható. A tervezet azt feltételezi, hogy a hátráltató tényezők kizárólag technikai eredetűek. Sok kikötés mellett ugyan, de az első kereskedelmi reaktor indulásának időpontjára 2048-at jósol. Ha ezt a szigorú menetrendet tartani tudják az még nem jelenti, a fúziós energia széleskörű elterjedését. Van egy limit a fúziós erőművek növekedési rátájához, amit a trícium készletek határoznak meg.

6. ábra A fúziós erőművek fejlesztésének időtáblája.

Trícium ellátás 

A fúziós energia nagyléptékű felhasználása következtében a trícium felhasználás soha nem látott méreteket fog ölteni. Nagyjából 220 kg tríciumra van szükség 1 GW folyamatos elektromosság termeléshez. Ez az érték úgy adódik, hogy 4 GW hőenergia 2 GW elektromos enegiát termel, amiből 1 GW el lesz használva a folyamat táplálására, ami 1 GW kimenő teljesítményt jelent. A jelenlegi termelés a világon, átlagosan 1700 GW körüli. 

Nagyjából az összes nem katonai trícium a CANDU reaktorokban moderáláshoz használt nehézvízből ered. Ezek közül a reaktorok közül néhányat bezárnak a közeljövőben. A több mint 40 évnyi üzemelés után felhalmozott trícium készlet 2027-ben fog tetőzni, 27 kg-al (7. ábra).

7. ábra A világ kereskedelmileg elérhető trícium készlete, mielőtt még a fúzióhoz felhasználnánk. 

A katonai reaktorok, melyek trícium előállítására vannak tervezve csupán évi néhány kg-ot termelnek, mintegy 200 millió dollár/kg-os áron. Az egyesült államokbeli Savannah River-ben korábban üzemelő trícium termelő reaktor a becslések szerint 220 kg-nyi tríciumot termelt a reaktor 1988-as bezárásáig. 1995-ben ez a mennyiség már csak 73 kg volt, ami mostanra 37-re fogyott. Valószínűtlen, hogy az USA bármennyit is hozzáférhetővé tesz civil célokra. Más civli reakotrok is termelhetnek tríciumot, hogyha lítiumot helyeznek a reaktorba, azonban legalább 60 kg uránra lehet szükség 1 kg trícium előállításához.

Mivel az ITER csak kis mennyisígű tríciumot fog előállítani (legalábbis az első években), mivel csak kis része lesz a karmának beborítva a trícium termelő köpennyel. Így az ITER egymaga fel fogja emészteni a világ trícium készletét. Ha a DEMO az ITER-el egyszerre lesz üzemben a trícium készlet válik a legfontosabb és legkritikusabb kérdéssé, tehát minnél hamarabb üzembe kell helyezni a teljes köpenyt és a trícium visszanyerő rendszert.

Ha a fúziós reaktorok elszaporodnak, akkor valószínüleg az indulás környékén, minden egyes reaktor az előzőleg megtermelt kis mennyiségű tríciumra fog támaszkodni. Egyes számítások szerint legalább 2-3 év szükséges, hogy egy reaktor beindulása után annyi tríciumot termeljen, hogy egy következő reaktort el tudjunk indítani. Ha csak technikai akadálya lenne a fúzió terjedésének, akkor 2100-ra tudnánk Európa elektromosság igényének 30%-át fúzióval fedezni.

Az energia rés

Még a legoptimistábbak is előre láthatják, hogy a hagyományos olajkitermelés jelentősen csökkenni fog, mire a fúziós erőművek legideálisabb esetben is üzembe állhatnak. Ha el akarunk jutni 2100-ig jelentősebb gazdasági összeomlás, vagy ilyen nagy mennyiségű kőszén, kátrány és olaj felhasználása nélkül az szükséges, hogy nagyobb skálán kezdjünk el alkalmazni alternatív energiaforrásokat, valamint a folyékony szénhidrogének szállításipari használatatá is minimalizálnunk kell. A fúzió így egy teljesen más környezetben száll versenybe.

Az árbecslések ebben a fázisban természetesen bizonytalanok, de a legtöbb becslés a mai árakkal és mai fosszilis tüzelőanyagokkal termelt energiaárakkal veti össze a fúziót. Egyes becslések szerint 14 €/W a DEMO esetén, ami később 4 €/W-ra csökken a kereskedelmi erőművekben.

Ezeket az árakat hasonlíthatjuk össze a mai atomenergiával (3 €/W) és kőszénre alapuló áramtermeléssel (1,5 €/W). A szélenergia költsége 1,5 €/W, de nem annyira valószínű 30% feletti részesedés az össz energiatermelésből, míg a fúzió 85%-ra becsülhető a jövőben. Ha a szélenergiát 30%-nál nagyobb arányban próbálnánk felhasználni hatalmas mennyiségű akkumulátorra lenne szükség és a szállítási költségek a turbinák számával növekednének.

A fúzió széndioxid kibocsátását nehéz megjósolni ennyire előre, de valószínüleg a reaktor építése, valamint a kisegítő épületek és a cserealkatrészek gyártása teszi ki a nagyját. A fúziós reaktorok természetüknél fogva védve vannak a nukleáris katasztrófáktól. Egyszerűen nincs annyi üzemanyag bennük egyidőben, hogy robbanás következzen be. Bármilyen hiba a reakció ezredmásodpecek alatti végét jelentené. Még a legrosszabb esetben - ha az összes trícium kikerülne - sem kéne senkit evakuálni az erőmű határain túl.

Összefoglalás

Láthatjuk, hogy a fúziós energiának az elkövetkező években nehéz technikai kihívásokkal kell szembenéznie, hogy valós alternatívát nyújtson. Ha csak fejlesztési akadályok lennének és feltéve, hogy azokat mind meg tudjuk oldani, akkor is legalább 50 évnyire vagyunk a kereskedelmi reaktorok első próbaüzemeitől. További nehézséget okoz a trícium készletek hiánya. Ideális esetben sikeresen kifejlesztik a technológiát a trícium szaporítására, és a kísérletek során a hiányt pótolni is tudják.

A valós problémát azonban az jelenti, hogy az egész időtábla az az ideális esetet feltételezi, hogy csak technikai nehézségekkel küzdünk meg. A pénzügyi támogatások valószínüleg lasabb fejlődést tesznek lehetővé a jövőben. Azonban még így is olyan távol van a működőképes kereskedelmi reaktor üzembe állítása, hogy addigra a fosszilis energiahordozókban jelentős hiány fog mutatkozni, és ha a társadalmi struktúránk (ezzel együtt a pénzügyi rendszerünk) nem is fog alapvető változásokon átesni, akkor is az energiaellátási rendszerünk alternatív megoldásokat fog alkalmazni. Pénzügyileg nem lesz versenyképes a fúzió az akkor már meglévő, de most még csak alternatív energiatermelési megoldásokkal szemben.

Esetleg ha az “elégetünk mindent” forgatókönyv következne be és nem történne meg az alternatívákra való átállás, akkor olyan jelentős klíma katasztrófának nézünk elébe, hogy a környezeti változás szükségszerűen gazdasági összeomláshoz vezet, ami miatt nem lesz egy szervezett háttere a fejlesztéseknek, így ismét csak valószínűtlen, hogy a technológia alternatívát tudna nyújtani.

Ha nem törekszünk a technológia minnél hamarabbi kifejelsztésére (egy tíz-húsz éves skálán), akkor egyszerűen túl késő lesz, mire valós helyzetben bizonyítani tudná a létjogosultságát. Érdekes ötlet volt ezt kutatni, de elvesztettük az időablakot a fejelsztésre és telepítésre.

 

Forrás: http://www.theoildrum.com/node/2164

Keresés
FFEK hírlevél

FFEK cikkek, hírek, programok.

Tartalom átvétel


Greenman Kft.
Effektív mikroorganizmusok a környezetért


Bio tönkölybúza
, Szám Lajos, Tapolca


Abwind Kft.
Megújuló energiák, megújuló technológiák


Újenergiák

Médiaröntgen

Kapcsolat Plus Alapítvány

Bocs Alapítvány

E-Consumption

Könyvajánló

Milyen tanulsággal szolgálhat korábbi népek és a természet viszonya, amennyiben az összeomlásig fajuló válságot idézett elő? A húsvét-szigetiek kivágták az utolsó fát is, a dél-amerikai indiánok túlhasználták a földet... El lehet ennyivel intézni régmúlt társadalmak bukásának okait?

A könyv a rendszerelméleten keresztül mutatja be, mire jutott a lehetséges forgatókönyvek elemzésével; milyen jövőnk lehet. A könyv alapját egy olyan számítógépes modell eredményei képezik, mely kulcsfontosságú folyamatokat modellez (népesség, energia, ipar, mezőgazdaság, szennyezés stb. alakulása és kölcsönhatásaik). Az eredmény megdöbbentő.

X