Képesek leszünk-e rá valaha?
A dél-franciaországi Saint-Paul-lez-Durance mellett egy 42 hektáros építési területen olyan gép készül, amelynek belsejében a hőmérséklet eléri majd a 150 millió °C-ot, miközben az azt körülvevő szupravezető mágneseket –269 °C közelében kell tartani. A szerkezet tömege mintegy 23 000 tonna lesz, összeszereléséhez pedig milliméteres pontossággal kell mozgatni több száz tonnás alkatrészeket. Ez az ITER, a valaha épített legnagyobb tokamak és a szabályozott magfúzió történetének eddigi legnagyobb kísérlete.
Az ITER neve eredetileg az International Thermonuclear Experimental Reactor, vagyis Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor rövidítése, miközben az „iter” latinul utat jelent. A név jól összefoglalja a vállalkozás célját: az ITER még nem kereskedelmi erőmű, hanem egy hatalmas kísérlet első lépcsőfoka, amely a jelenlegi kutatóberendezések és a jövő villamos energiát termelő fúziós erőművei között helyezkedik el. Feladata annak bizonyítása, hogy egy erőművi léptékű berendezésben létrehozható, szabályozható és hosszabb ideig fenntartható olyan plazmaáramlat, amelyben a fúziós reakció már nagyrészt saját magát fűti és tartja működésben.
Először is: a magfúzió ugyanaz az alapvető folyamat, amely a csillagokat működteti. A Nap belsejében hidrogénatommagok egyesülnek, és végül hélium keletkezik. A létrejövő héliummag tömege valamivel kisebb, mint a kiinduló részecskék együttes tömege. A különbség Einstein összefüggése szerint energiává alakul.
A Nap középpontjában mintegy 15 millió °C uralkodik, a fúzió mégis végbemegy, mert az óriási gravitáció hatalmas nyomást és sűrűséget hoz létre. Egy földi berendezésben nem áll rendelkezésre egy csillag gravitációs tömege, ezért a kisebb sűrűséget jóval magasabb hőmérséklettel kell ellensúlyozni. Az ITER plazmáját ezért körülbelül 150 millió °C-ra, a Nap középpontjánál mintegy tízszer magasabb hőmérsékletre hevítik.
Az ITER nem ugyanazt a láncreakciót próbálja reprodukálni, amely a Napban zajlik: a berendezés deutériumot és tríciumot, vagyis a hidrogén két nehezebb izotópját használja majd. A deutérium atommagja egy protonból és egy neutronból, a tríciumé egy protonból és két neutronból áll. Amikor a két atommag egyesül, egy hélium–4 atommag, egy nagy energiájú neutron és összesen 17,6 MeV energia keletkezik:
A felszabaduló energia körülbelül ötöde a pozitív töltésű héliummaghoz, más néven alfa-részecskéhez kerül. Mivel elektromosan töltött, a mágneses tér fogságában marad, ütközéseivel pedig tovább fűti a plazmát. A többi energiát a töltés nélküli neutron viszi magával. A neutron áthalad a mágneses téren, majd beleütközik a vákuumkamra belső falát borító szerkezetbe, ahol mozgási energiája hővé alakul.
Egy későbbi fúziós erőmű ezt a hőt használná fel villamosenergia-termelésre. A falakban keringő hűtőközeg felmelegedne, az így kinyert energia gőzt termelne, a gőz pedig turbinát és generátort hajtana, nagyjából úgy, ahogyan egy hagyományos hőerőműben vagy hasadóanyaggal működő atomerőműben történik. Az ITER azonban nem rendelkezik villamosenergia-termelő turbinákkal, ezért az általa előállított fúziós teljesítményt hő formájában elvezetik. A gép célja a folyamat fizikai és technológiai működésének igazolása, nem pedig a hálózat áramellátása.
A 150 millió °C-os anyagot természetesen semmilyen szilárd tartály nem képes közvetlenül megtartani. Ilyen hőmérsékleten az atomokról leszakadnak az elektronok, és az anyag plazmává, elektromosan vezető, töltött részecskékből álló gázzá alakul. A plazmát ezért mágneses térrel kell a falaktól távol tartani.
Az ITER szíve egy tokamak, vagyis egy gyűrű alakú mágneses plazmacsapda. A szó az orosz „toroidális kamra mágneses tekercsekkel” kifejezés rövidítéséből származik. A fánk alakú vákuumkamrát 18 hatalmas, D alakú toroidális mágnes veszi körül. Ezek hozzák létre a gyűrű mentén futó mágneses tér fő összetevőjét. A kamrában keringő, akár 15 millió amperes plazmaáram egy másik irányú mágneses teret is létrehoz. A két tér eredője spirális pályákra kényszeríti az elektronokat és az atommagokat, így azok elvileg anélkül keringhetnek a kamrában, hogy hozzáérnének a falhoz.
A plazma azonban nem nyugodt anyag. Örvények, hullámok és instabilitások alakulhatnak ki benne, a részecskék és az energia pedig folyamatosan igyekeznek kiszökni a mágneses csapdából. A tokamakot körülvevő további mágnesek alakítják, pozicionálják és stabilizálják a plazmát. A szabályozórendszer érzékelők ezreinek adataiból követi majd annak állapotát, és gyors beavatkozásokkal módosítja a mágneses tereket, a fűtést, valamint az üzemanyag-utánpótlást.
A gép középtengelyében álló központi szolenoid lényegében egy rendkívül erős elektromágneses transzformátor primer tekercseként működik, miközben a plazma alkotja a szekunder tekercset. A hat modulból felépülő, közel 18 méter magas és körülbelül 1000 tonnás mágnes legnagyobb térerőssége 13 tesla lesz. Segítségével 15 millió amperes áram indukálható a plazmában. A szolenoid és a többi szupravezető mágnes együttesen 51 gigajoule mágneses energiát tárolhat. A mágnesrendszer tömege körülbelül 10 000 tonna, üzemi hőmérséklete pedig mindössze 4 kelvin, azaz megközelítőleg –269 °C.
Ez különös hőmérsékleti ellentétet teremt: ugyanabban a berendezésben a plazma 150 millió °C-os, a körülötte elhelyezkedő mágnesek pedig csak néhány fokkal melegebbek az abszolút nulla pontnál. A kettő között vákuum, hőpajzsok, aktívan hűtött falak és több egymásba ágyazott szerkezeti réteg biztosítja a hőszigetelést.
A fánk alakú vákuumkamra külső átmérője 19,4 méter, magassága 11,4 méter, tömege pedig az üres állapotban is körülbelül 5200 tonna. A belső terében mintegy 830–840 köbméteres plazma jöhet létre, amely többször nagyobb a jelenlegi tokamakok plazmatérfogatánál. A falburkolatok és a divertor beszerelése után a vákuumkamra tömege eléri majd a 8500 tonnát. Az egész szerkezetet egy közel 30 méter magas és ugyanilyen széles, 3850 tonnás rozsdamentes acél kriotartály zárja körül. Ez a világ legnagyobb ilyen típusú nagyvákuumú acélkamrája.
A vákuumkamra falát mintegy 600 négyzetméternyi moduláris takarórendszer, az úgynevezett blanket borítja majd. Ezek a több tonnás elemek fogják fel a plazmából kilépő neutronokat, védik a mágneseket és a külső szerkezeteket, valamint eltávolítják a keletkező hő jelentős részét. Az ITER lesz az első fúziós berendezés, amely teljesen aktív vízhűtéssel ellátott ilyen falburkolatot használ. Az új építési terv szerint a plazmával közvetlenül érintkező első fal anyaga berillium helyett volfrám lesz, mert a következő generációs fúziós berendezések is várhatóan ezt a rendkívül magas olvadáspontú fémet alkalmazzák.
A kamra alján található divertor a tokamak egyik legnagyobb igénybevételnek kitett része. Ez vezeti el a plazmából származó héliumot, szennyeződéseket és hőt. Bizonyos felületein tartósan akár négyzetméterenként 10 MW, rövid átmeneti állapotokban pedig 20 MW hőterhelés jelentkezhet. Ez utóbbi nagyjából húszezer, egyenként egy kilowattos elektromos hősugárzó teljesítménye egyetlen négyzetméterre összpontosítva. A divertor 54, egyenként mintegy tíztonnás kazettából épül fel, plazmának kitett részeit pedig aktívan hűtött volfrámpáncél védi. A berendezés élettartama során ezeket távirányítású eszközökkel kell majd cserélni, mert a neutronbesugárzás után az emberek nem dolgozhatnak közvetlenül a kamrában.
A gép fő tudományos célját egyetlen számmal, a fúziós energianyereséggel szokták kifejezni. Ez a plazmában keletkező fúziós teljesítmény és a plazmába közvetlenül bejuttatott külső fűtőteljesítmény hányadosa. Az ITER tervei szerint 50 MW külső plazmafűtés mellett 500 MW fúziós hőteljesítményt lehet majd előállítani 400–600 másodperces impulzusokban. Ez , vagyis tízszeres plazmaszintű energianyereség.
Ezt a számot fontos pontosan értelmezni. Az 50 MW kizárólag a plazmába juttatott fűtési teljesítményt jelenti. Nem tartalmazza a teljes létesítmény áramfogyasztását, például a hűtést, a kriogén rendszereket, a szivattyúkat, a mágnesek kiszolgálóberendezéseit és az egyéb infrastruktúrát. Az ITER ezért nem fog tízszer annyi villamos energiát termelni, mint amennyit felhasznál, és nettó áramtermelésre sem tervezték. A annak bizonyítéka lenne, hogy a plazma fizikája eljutott az erőművekhez szükséges tartományba.
A magas energianyereség azért döntő jelentőségű, mert ilyenkor a fúzió során keletkező alfa-részecskék adják a plazma fűtésének nagy részét. Ezt „égő plazmának” nevezik. A külső berendezések elindítják és szabályozzák a folyamatot, miközben a plazma hőmérsékletének fenntartásához szükséges energia egyre nagyobb hányada magából a fúzióból származik. Ilyen, erőművi léptékű égő plazmát még egyetlen tokamakban sem sikerült tartósan létrehozni.
A hosszú távú működéshez az üzemanyag kérdését is meg kell oldani. A deutérium stabil, természetes hidrogénizotóp, amely a vízben kis koncentrációban mindenütt megtalálható. A trícium ezzel szemben radioaktív, felezési ideje körülbelül 12,3 év, természetes készlete pedig rendkívül csekély. A világ jelenlegi tríciumkészlete messze nem volna elegendő egy kiterjedt fúziós erőműhálózat ellátásához.
A jövő erőműveinek ezért saját tríciumot kellene termelniük. A kamra falában elhelyezett, lítiumot tartalmazó tenyésztőköpeny elnyelné a fúzió során keletkező neutronokat. A neutron és a lítium–6 reakciójából trícium és hélium keletkezhetne, majd a tríciumot kivonnák a köpenyből, megtisztítanák és visszajuttatnák a plazmába. Az ITER nem kap teljes tríciumtermelő burkolatot, de különböző kísérleti tenyésztőmodulokat fog kipróbálni valós fúziós környezetben. Ez megmutathatja, mennyire hatékonyan termelhető, vonható ki és forgatható vissza a trícium.
A projekt másik feladata az erőművi technológiák integrált tesztelése. Külön-külön már sok részrendszer működik különböző laboratóriumokban, de egy üzemi fúziós berendezésnek egyszerre kell kezelnie az erős mágneseket, a vákuumot, a kriogén hűtést, a plazmafűtést, az üzemanyagciklust, a neutronterhelést, a hőelvezetést, a diagnosztikát és az automatizált karbantartást. Az ITER arra szolgál, hogy mindezeket egyetlen, erőművi méretű gépben kapcsolják össze.
A biztonság vizsgálata szintén a program része. A magfúzió nem önfenntartó láncreakció. A kamrában egyszerre csak nagyon kis mennyiségű üzemanyag található, és ha a mágneses tér, a fűtés vagy az üzemanyag-utánpótlás megszakad, a plazma gyorsan lehűl, a fúziós reakció pedig másodperceken belül leáll. A hasadási reaktorokban lehetséges, üzemanyag-olvadással járó baleseti folyamatnak nincs közvetlen fúziós megfelelője. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a fúziós berendezés sugárzásmentes vagy hulladékmentes lenne. A trícium radioaktív anyag, amelynek tárolását és visszatartását gondosan kell megoldani. A nagy energiájú neutronok idővel radioaktívvá teszik a kamra egyes szerkezeti anyagait, és roncsolják azok kristályszerkezetét. A fúziós technológia egyik fontos kutatási területe ezért olyan anyagok kifejlesztése, amelyek hosszú ideig ellenállnak a neutronterhelésnek, aktiválódásuk pedig viszonylag gyorsan lecseng. A várható hulladék jellege eltér a hasadási erőművek kiégett fűtőelemeitől, de kezelést, árnyékolást és ellenőrzött tárolást ugyanúgy igényel.
Az ITER egyben különleges nemzetközi együttműködés. A projekt hét tagja az Európai Unió az Euratomon keresztül, valamint Kína, India, Japán, Dél-Korea, Oroszország és az Egyesült Államok. A tagok megosztják az építés, az üzemeltetés és a leszerelés költségeit, valamint hozzáférést kapnak a tudományos eredményekhez és a létrejövő technológiai ismeretekhez. Európa viseli az építési hozzájárulás mintegy 45,6 százalékát, a többi hat tag körülbelül 9,1–9,1 százalékkal vesz részt. A hozzájárulások mintegy kilenctizede nem pénz, hanem elkészült alkatrész, rendszer vagy épület formájában érkezik.
Ez a modell tudományos és ipari szempontból is előnyös, ugyanakkor rendkívül összetetté teszi az építést. A vákuumkamra elemei, a mágnesek, a kriogén rendszerek és az egyéb alkatrészek különböző országokban készülnek, majd Franciaországban kell őket egymással összeilleszteni. Egy apró eltérés is problémát okozhat, amikor több száz tonnás, éveken át gyártott elemeket kell milliméteres tűréssel egyetlen szerkezetté egyesíteni.
A projekt gondolata az 1980-as években, a hidegháború utolsó szakaszában született. Ronald Reagan amerikai elnök és Mihail Gorbacsov szovjet vezető 1985-ös genfi találkozója után indult el egy közös nemzetközi fúziós berendezés előkészítése. A helyszínről 2005-ben született döntés, az ITER-egyezményt 2006-ban írták alá, az ITER Organization pedig 2007-ben jött létre. Az építkezés 2010-ben kezdődött, a gép tényleges összeszerelése pedig 2020-ban indult meg a kriotartály 1250 tonnás alapelemének beemelésével.
Az eredeti ütemtervhez képest az ITER jelentős késésben van. A világjárvány megzavarta a gyártást és a szállítást, később pedig műszaki hibákat fedeztek fel a hőpajzsban és néhány vákuumkamra-szektor illesztési felületein. Ezek javítása és az összeszerelési stratégia átdolgozása éveket vett igénybe. A korábbi terv egy viszonylag kis teljesítményű „első plazmával” indította volna el a gépet, amelyet újabb hosszú szerelési szakasz követett volna. Az új munkaterv inkább egy teljesebben felszerelt géppel kezdi meg az érdemi kutatást.
A jelenlegi ütemezés szerint a kriotartályt 2033-ban zárhatják le, az integrált üzembe helyezés 2033–2034-ben történhet, a hidrogénnel és deutériummal végzett kutatási működés pedig 2034-ben kezdődhet. A teljes mágneses energiát és plazmaáramot 2036-ra tervezik elérni, míg a valódi deutérium–trícium kísérletek kezdete 2039-re várható. Ezek több évtizedes műszaki programok időpontjai, ezért további változások lehetőségével is számolni kell.
Ha az ITER eléri a céljait, utána még mindig nem következik azonnal a kereskedelmi fúziós energia. Az ITER tapasztalataira épülő demonstrációs erőműveknek már folyamatosan kellene működniük, saját tríciumot termelniük, hatékonyan elvezetniük a hőt, villamos energiát táplálniuk a hálózatba, és gazdaságosan cserélhető alkatrészekkel kellene rendelkezniük. Európa ezt a következő lépcsőt DEMO néven tervezi; a koncepció célja mintegy 500 MW nettó villamos teljesítmény és a trícium-önellátás igazolása.
Az ITER sikere ezért nem azt jelentené, hogy egyik napról a másikra megoldódik az emberiség energiaellátása. Sokkal fontosabb és pontosabb állítást tenne lehetővé: bizonyítaná, hogy az égő fúziós plazma erőművi léptékben létrehozható és irányítható, miközben a szükséges technológiák közös rendszerben működtethetők.
