Ettől kezdve már csak erről beszélünk, mert napjaink fúziós energiatermelőiről szóló elképzeléseiben, és jelentős kutatási pénzt és szellemi erőket koncentráló projektjeiben ez szerepel az első helyen.
Ehhez a megoldáshoz először fel kellett ismernünk, hogy a probléma az, hogy a töltött részecskéket úgy kell tárolnunk, hogy ne érjenek a falhoz. Ha nem ütköznek a falhoz, mint a gázrészecskék, akkor nem baj, ha több millió (száz millió) fokosak. Össze kell tartani őket, amíg előbb-utóbb ütköznek egymással, és akkor létrejön a fúzió. Ez hát a cél: az összetartás. A töltött részecskékről tudjuk, hogy mágneses térben rácsavarodnak a mágneses erővonalakra. (Aki többet akar erről olvasni, annak a kulcsszavak: Lorentz-erő, ciklotron frekvencia, girokinetikus sugár.)
És ugorja át a következő differenciálegyenletet, amely leírja a töltött részecskék mozgását az elektromágneses erőterekben:
Megnyugtatásul közöljük, hogy amit itt látunk, az a Newton-egyenlet. Bal oldalon a tömegszer gyorsulás áll (vektoriálisan), jobb oldalon a q töltésre ható elektromos (E) tér ereje és a mágneses tér (B) által a v sebességgel mozgó töltésre ható erő. Ugye nem is olyan ijesztő? Ha a B tér z irányú, akkor három egyenletre esik szét a fenti vektoriális egyenlet:
Ezekből a harmadik már tényleg az első műszakifizika-órán megoldott Newton-egyenlet, ami azt jelenti, hogy z irányba előrehalad a részecske. A felső kettő már csatolt egyenlet, amelyekről pillanatok alatt kiderül, hogy az x-y síkban való körmozgás egyenlete (ezt is tanulja, aki műszaki BSc-t végez).
Az elvet már korán felismerték, és megpróbálták alkalmazni. A pozitív töltésű atommagok az egyik irányba csavarodnak, míg a negatív töltésű elektronok a másik irányba (8.5.1. ábra).
8.5.1. ábra
A girokinetikus sugár, amellyel a fenti ábrán látható spirálokon mozognak a töltött részek:
ami, ha a részecskék energiája kb. 10 keV, akkor a deutériumra egy tipikus B = 5 Tesla mágneses térerőnél kb. 4 mm, míg a könnyebb elektronra alig 0,07 mm. A spirálvonalon mozgó részecskék így nem érnék el az erővonalakkal párhuzamos falat. De mi van a végeken?
Valamit kellene csinálni az erővonalak végén!
Először azzal próbálkoztak (talán a lézerek mintájára), hogy mágneses tükröket helyeztek el az erővonalak két végére. Ehhez már magasabb matematika kell, itt csak annyit mondunk, hogy nem egyenes erővonalakat kell képezni, hanem megfelelően görbítetteket. A tükrökről visszaverődtek az elektronok és az ionok.
8.5.2. ábra
8.5.3. ábra
Előbb egyre bonyolultabb tükröket állítottak elő (vö.8.5.4. ábra).
8.5.4. ábra
8.5.5. ábra
Az igazi áttörést az erővonalak olyan begörbítése jelentette, ami összezárta a két véget egy tóruszba, kialakult a toroidális plazma:
8.5.6. ábra
Ez sem volt stabil, mindenféle kikönyökölések és kikolbászolások (igen, jól olvasta!) keletkeztek, mert a belső oldal felé gyorsabban haladtak a töltött részecskék.
Mára két alternatíva kristályosodott ki: a SZTELLARÁTOR és a TOKAMAK.
A sztellarátorban igen bonyolult külső mágneses tekercsekkel próbálnak olyan csavarodást elérni a plazmaáramban, amely visszatartja a részecskéket attól, hogy a falhoz érjenek (8.5.7. ábra).
8.5.7. ábra
8.5.8. ábra
Az egyszerűbb technikájú, de szellemesebb ötlet az orosz TOKAMAK (TOkovaja KAmera sz MAgnyitnimü Katuskammi = áramkamra mágneses tekercsekkel), amiben az erővonalak csavarodását egy toroidális plazmaáram okozza, amit transzformátorelven hozunk létre.
8.5.9. ábra
Látszólag tehát megoldottuk, hogy a plazma ne érjen a falhoz, de nem tökéletesen és nem véglegesen. Számos instabilitás lép fel a működésben, ami a plazma energiáját kivezeti a falra, mintegy elégetve azt. Marad még számos, érdekes téma, nemcsak az alap-fizikusoknak, de a mérnököknek és anyagtudományt művelőknek is.
8.5.10. ábra
8.5.11. ábra
6. „Hol tartunk ma?”
(Idézet Zoletnik Sándor Magyar Tudomány 2007/01 számá ban megjelent cikkéből.)
Fúziós kutatások alapvetően két irányban folynak: összetartás nélküli folyamatokkal (inerciális fúzió) és mágneses összetartású plazmákkal. Az előbbi esetén a nyereséges működéshez a felfűtés előtt a DT-üzemanyagot a szilárdtestsűrűség kb. tízszeresére kell összenyomni, amelyet nagy teljesítményű lézerekkel, atomnyalábokkal vagy sugárzással próbálnak elérni. Ezek a kutatások várhatóan néhány éven belül be fogják mutatni, hogy egy kapszula felrobbantása lényeges energianyereséggel jár, azonban energiatermelési alkalmazásuk igen sok műszaki nehézséget és gazdaságossági kérdést mutat.
A mágnesesen összetartott plazmákkal a kísérletek az 1950-es évek óta folynak. Ez alatt számos különböző mágneses konfigurációt próbáltak ki, mai tudásunk szerint ezek közül kizárólag a tórusz alakú berendezések látszanak alkalmasnak energetikai alkalmazásra. Ezek közül is a tokamak nevű konfiguráció jutott legközelebb a gyakorlati hasznosításhoz(2. ábra az idézett cikkben). Ebben külső tekercsek és a plazmában folyó áram mágneses terének eredője adja az összetartó mágneses teret. Az eddigi kísérletek elsősorban a plazma előállítására, fűtésére, mérésére, valamint fizikájának megértésére vonatkoztak, a sugárzási problémák elkerülése érdekében általában tiszta deutériumplazmában. A mai legnagyobb berendezésekben az energetikai alkalmazáshoz szükséges hőmérsékletű és sűrűségű plazmát rutinszerűen elő tudják állítani, a JET-tokamakon végzett DT-kísérletekben a plazma fűtésére fordított teljesítmény kb. 60 %-át tudták a fúziós reakcióban elérni.
A fúziós kutatások történetét foglalja össze nagyon olvasmányosan Kees Braams és Peter Stott könyve (Braams – Stott, 2002). Bár a fúziós plazmák fizikájának megértésében számos hiányosság akad még, a mai eredmények alapján már igen jó bizonyossággal meg lehetett tervezni egy berendezést, amely már reaktorméretekben és -teljesítményekkel lenne képes üzemelni. Ezt a berendezést ITER néven megtervezték, és hét partner (EU, USA, Oroszország, Japán, Kína, Dél-Korea, India) megállapodott a berendezés megépítéséről a franciaországi Cadarche-ban. Jelenleg az engedélyezési folyamat zajlik, és előreláthatóan 2008-ban kezdődik az építkezés. A tervek szerint az ITER 500 MW fúziós teljesítmény előállítását fogja demonstrálni maximum 75 MW fűtési
teljesítmény mellett, 500−1000 másodperc hosszú impulzusokban. Elektromos energiát nem fog termelni, és tríciumból sem lesz önfenntartó. Ezzel szemben tesztelni fognak rajta különböző tríciumtermelési eljárásokat, valamint az alfa részecskék fűtőhatását a plazmára. Rövid impulzushossza miatt az ITER-kísérlet egy fontos technológiai kérdést nem tud tisztázni: a szerkezeti anyagok neutronok által történő roncsolását és az ennek ellenálló szerkezeti anyagok kiválasztását. Erre IFMIF néven egy speciális berendezés építése van tervbe véve, amely egy gyorsító segítségével kis térfogatban olyan energiájú és dózisú neutronbesugárzást tenne lehetővé, ami egy energiatermelő fúziós reaktorban várható. Az IFMIF koncepciós tervei készen vannak, egy EU–Japán megállapodás keretében a közeljövőben kezdődne a mérnöki tervek kidolgozása. Az ITER- és IFMIF-kísérletek adnák a technológiai alapot az ezután építendő fúziós energiatermelő demonstrációs erőmű (DEMO) építéséhez.
Kereskedelmi fúziós erőművekről 2005-ben készült a legújabb és mindmáig legrészletesebb tanulmány a European Fusion Development Agreement szervezetben (EFDA2005, 2005). Négy tokamak-változatot vizsgáltak, amelyek különböző technológiai megvalósításokat reprezentáltak, valamint megkísérelték figyelembe venni a jövőbeli technológiai fejlődés hatását. Az eredmények szerint a fúziós energiatermelés költsége 3 és 9 eurocent közé becsülhető, tehát valahol a mai hagyományos erőművek és a megújuló források között lenne. Meg kell jegyezni, hogy a fúziós erőművek esetén a működtetési költség csak 10–15 % között van, ezzel szemben a tőkeberuházási költség 65–70 %. Ez utóbbit is néhány nagy alkatrész (szupravezető mágnes, vákuumrendszer) uralja, tehát a technológiai fejlődéssel és szériagyártással együtt járó költségcsökkenés az idő előrehaladásával egyre olcsóbbá tenné ezt a megoldást. Meg kell még említeni, hogy a tokamakok mellett más toroidális konfigurációk fejlesztése is folyik, amelyek potenciális előnyökkel kecsegtetnek, azonban még kb.
egy generációval a tokamakok mögött járnak.