2022-12-19 nap bejegyzései

(4058) Fúzió

Tibor bá’ fordítása online

Fúzió. Na, ne már?

Szerző: Karl Grossman
89. útban a 90. felé

Hatalmas szenzáció volt (a média nagyrészt megkérdőjelezhetetlen), amikor az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma ezen a héten bejelentette, hogy „jelentős tudományos áttörés” történt a fúziós energia fejlesztése terén.

„Ez mérföldkőnek számító eredmény” – jelentette ki Jennifer Granholm energiaügyi miniszter. Tanszékének sajtóközleménye szerint a kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban végzett kísérlet „több energiát termelt a fúzióból, mint a meghajtásához használt lézerenergia”, és „felbecsülhetetlen értékű betekintést nyújt a tiszta fúziós energia lehetőségeibe”.

„A nukleáris fúziós technológia a hidrogénbomba megalkotása óta létezik” – jegyezte meg a bejelentésről szóló CBS News cikke. „A nukleáris fúziót az energiateremtés szent gráljának tekintették. És „úgy tűnik, hogy végre elérkezett a fúzió pillanata ” – mondta a CBS-cikk.

De ahogy Dr. Daniel Jassby, a Princeton Plasma Physics Lab 25 éven át a fúziós energia kutatásán és fejlesztésén dolgozó vezető kutatófizikusa a Bulletin of the Atomic Scientists 2017-es cikkében megállapította, a fúziós energia „kerülendő dolog. ” Cikkének címe „Fúziós reaktor: nem az, amiért létrehozták”.

„A fúziós reaktorokat régóta „tökéletes” energiaforrásként hirdetik” – írta. És „az emberiség sokkal közelebb kerül” ahhoz, hogy „elérje azt az áttörést, amikor a fúziós reaktorból kilépő energia mennyisége fenntarthatóan meghaladja a bemenő energia mennyiségét, vagyis nettó energiát termel”.

„De ahogy közeledünk a célunkhoz – folytatta Jassby  – ideje megkérdezni: vajon a fúzió valóban „tökéletes” energiaforrás? Miután 25 évet dolgoztam magfúziós kísérleteken a Princeton Plazmafizikai Laborban, nyugdíjas koromban kezdtem szenvtelenül nézni a fúziós vállalkozást. Arra a következtetésre jutottam, hogy egy fúziós reaktor messze nem lenne tökéletes, és bizonyos szempontból közel áll az ellenkezőjéhez.”

„Eltérően attól, ami  a Napon történik, „amely hatalmas sűrűségű és hőmérsékletű közönséges hidrogént használ a fúzióhoz”, a Földön „a neutronban gazdag izotópokat használó fúziós reaktorok melléktermékei nem ártalmatlanok” – mondta.

A Földön a fúziós folyamat egyik kulcsfontosságú radioaktív anyaga a trícium, a hidrogén radioaktív izotópja.

De itt van „négy sajnálatos probléma” – „szerkezetek sugárzási károsodása; radioaktív hulladék; a biológiai árnyékolás szükségessége; és a fegyvertisztaságú plutónium 239 előállításának lehetősége – ami növeli a nukleáris fegyverek elterjedésének veszélyét, nem pedig csökkenti azt, ahogy azt a fúziót támogatók szeretnék” – írta Jassby.

„Ezen túlmenően, ha a fúziós reaktorok valóban megvalósíthatók, felmerülnének azok a többi komoly problémát, amelyek a hasadó reaktorokat sújtják, beleértve a trícium felszabadulását, az ijesztően nagy hűtőközeg-igényt és a magas működési költségeket. További, a fúziós berendezésekre jellemző hátrányok is lesznek: olyan tüzelőanyag (trícium) használata, amely nem fordul elő a természetben, és amelyet magának a reaktornak kell produkálni; és elkerülhetetlen helyszíni áramkimaradások, amelyek drasztikusan csökkentik az eladásra kínált elektromos energiát.”

„A trícium fő forrása a hasadó atomreaktorok” – folytatta. A tríciumot hulladéktermékként állítják elő a hagyományos atomerőművekben. Ezek az atomok felhasadásán alapulnak, míg a fúzió az atomok összeolvadását jelenti.

„Ha elfogadják, a deutérium-trícium alapú fúzió lenne az egyetlen olyan elektromos energiaforrás, amely nem hasznosítja a természetben előforduló tüzelőanyagot, vagy nem alakít át olyan természetes energiaforrásokat, mint a napsugárzás, a szél, a lehulló víz vagy a geotermikus energia. Egyedülálló módon a fúziós üzemanyag trícium komponensét magában a fúziós reaktorban kell előállítani” – mondta Jassby.

Az atomfegyverek elterjedésével kapcsolatban: „A plutónium-239 nyílt, vagy titkos előállítása egy fúziós reaktorban egyszerűen úgy lehetséges, hogy természetes vagy szegényített urán-oxidot helyeznek el minden olyan helyre, ahol bármilyen energiájú neutronok repkednek. A lassuló neutronok tömege, amely a reakcióedényen áramló fúziós neutronok szóródásából adódik, áthatja a reaktor belsejének minden zugát, beleértve a reakcióedény függelékeit is.

Ami a „hasadási reaktorokkal megosztott további hátrányokat” illeti, egy fúziós reaktor esetében: „Trícium diszpergálódik a reakcióedény, a részecske-injektorok, a szivattyúcsatornák és egyéb függelékek felületén. A hőcserélő rendszer korróziója vagy a reaktor vákuumcsatornáinak megsértése radioaktív trícium légkörbe vagy helyi vízforrásokba kerülését eredményezheti. A trícium hidrogénnel felcserélődik, így tríciumos víz keletkezik, ami biológiailag veszélyes.”

„Emellett a hűtőfolyadék-igény és a rossz vízhatékonyság problémái is vannak” – folytatta. „A fúziós reaktor olyan hőerőmű, amely hatalmas vízigényt támasztana a gőzt előállító másodlagos hűtőkörben, valamint a reaktor más alrendszereiből, például kriogén hűtőkből és szivattyúkból való hő eltávolítása miatt. Valójában egy fúziós reaktor a legalacsonyabb vízhatékonysággal rendelkező bármely típusú hőerőmű között, legyen az fosszilis vagy atomerőmű. A világ különböző régióiban fokozódó szárazság miatt sok ország nem tudna fizikailag fenntartani nagy fúziós reaktorokat.”

„És a fentiek mindegyike azt jelenti, hogy minden fúziós reaktornak túlméretezett működési költségekkel kell szembenéznie” – írta.

„A fúziós reaktor működtetéséhez olyan személyzetre lesz szükség, akiknek szakértelmére korábban csak a hasadási üzemekben végzett munkához volt szükség – például biztonsági szakértőkre a védelmi kérdések figyeléséhez, vagy speciális dolgozókra a radioaktív hulladékok ártalmatlanításához. További képzett személyzetre lesz szükség a fúziós reaktor bonyolultabb alrendszereinek működtetéséhez, beleértve a kriogenikát, a trícium feldolgozást, a plazmafűtő berendezéseket és a bonyolult diagnosztikát. Az Egyesült Államokban működő hasadó reaktorok általában legalább 500 állandó alkalmazottat igényelnek négy heti műszakban, a fúziós reaktorok pedig közel 1000 főt. Ezzel szemben csak néhány embernek kell vízerőműveket, földgáztüzelésű erőműveket, szélturbinákat, naperőműveket és egyéb áramforrásokat üzemeltetnie” – írta.

„A többszörös visszatérő kiadások közé tartozik a sugárzás által károsodott és plazma-erodált alkatrészek cseréje a mágneses zárt fúzióban, valamint évente több millió üzemanyag-kapszula gyártása minden inerciális zárt fúziós reaktorhoz. És minden típusú atomerőműnek finanszíroznia kell az életciklus végén történő leszerelést, valamint a radioaktív hulladékok időszakos ártalmatlanítását.”

„Elképzelhetetlen, hogy egy fúziós reaktor teljes működési költsége kisebb legyen, mint egy hasadó reaktoré, ezért egy életképes fúziós reaktor tőkeköltségének nullához közel kell lennie olyan helyeken, ahol az üzemeltetési költségek önmagukban magas.  A maghasadásos reaktorok többsége nem versenyképes a nem nukleáris energiával előállított villamos energia költségével, és ez az atomerőművek leállását eredményezte” – mondta Jassby.

„Összefoglalva, a fúziós reaktorok néhány egyedi problémával szembesülnek: a tüzelőanyag-ellátás hiánya (trícium), valamint a nagy és redukálhatatlan villamosenergia-elvezetése. Ezek az akadályok – a kolosszális tőkeráfordítással és a hasadási reaktorokkal együtt járó további hátrányokkal együtt jár. A fúziós reaktorok megépítése és működtetése, illetve gazdaságos kivitelezése minden más típusú villamosenergia-generátornál nagyobb igénybevételt jelent.”

„A fúzió zord valósága megcáfolja a „korlátlan, tiszta, biztonságos és olcsó energia” támogatóinak állítását. A földi fúziós energia nem az ideális energiaforrás, amit javaslói dicsérnek” – jelentette ki Jassby.

Az év elején a fúziós reaktorok trícium-üzemanyag-hiányának kérdését felvetően a Science, az Amerikai Tudományos Fejlődési Szövetség kiadványában megjelent egy cikk a következő címmel: „ A trícium üzemanyag hiánya elhagyhatja a fúziós energiát.” Ez a júniusi cikk a „ritka radioaktív izotóp trícium” magas költségére hivatkozott.  Grammonként 30.000 dollárért majdnem olyan értékes, mint egy gyémánt, de a fúziós kutatók számára megéri az árát megfizetni. Ha a tríciumot magas hőmérsékleten egyesítik deutériummal, a két gáz úgy éghet, mint a Nap.”

Aztán ott van a fúziós reaktorok szabályozása. Egy tavalyi cikk az MIT Science Policy Review-ban megjegyezte: „A fúziós energiát régóta olyan energiaforrásként hirdetik, amely nagy mennyiségű tiszta energia előállítására képes. Ezen ígéret ellenére a fúziós energia hat évtizednyi kutatás és fejlesztés után nem vált valóra. A fúziós energia sikeres fejlesztéséhez megfelelő szabályozási keretre lesz szükség a közbiztonság és a gazdasági életképesség biztosítása érdekében.”

„A kockázat alapú szabályozások a biztonsági elemzésekből származó kockázati információkat tartalmaznak annak biztosítására, hogy a szabályozás megfeleljen egy tevékenység tényleges kockázatának” – áll a cikkben. „Annak ellenére, hogy a maghasadási ipar kockázatalapú keretrendszerének elfogadása előnyökkel jár, az első generációs kereskedelmi fúziós technológia engedélyezésére vonatkozó kockázatalapú szabályozás alkalmazása káros lehet a fúzió gazdaságos rövid távú kiépítéséhez. A kereskedelmi fúziós technológia nem rendelkezik elegendő működési és szabályozási tapasztalattal ahhoz, hogy támogassa a kockázatalapú szabályozás gyors és hatékony alkalmazását.”

Annak ellenére, hogy a múlt heti fúziós bejelentéssel kapcsolatban széles körben üdvözölték a médiát, ott néhány kimért megjegyzés is megszületett. Arianna Skibell, a Politico munkatársa írt egy cikket „Itt egy valóság  ellenőrzés a magfúzióhoz” címmel. Elrettentő tudományos és mérnöki akadályok állnak előtte annak, hogy ezt a felfedezést olyan géppé fejlesszük, amely megfizethető áron képes a fúziós reakciót elektromos árammá alakítani a hálózat számára. Ez a fúziót egyértelműen a „a nap” kategóriába sorolja.”

„Íme néhány ok, amiért mérséklik a várakozásokat, miszerint ez az áttörés gyors előrelépést hoz a klíma vészhelyzet kezelésében” – mondta Skibell. „Először is, amint arra a klímatudósok figyelmeztettek, a világnak nincs ideje évtizedekig várnia, amíg a technológia potenciálisan életképes lesz az üvegházhatású gázok kibocsátásának nullázására.” Idézte a Pennsylvaniai Egyetem klímakutatóját, Michael Mannt, aki így kommentálta: „Nagyon izgatott lennék, ha bejelentés lenne, miszerint az Egyesült Államok megszünteti a fosszilis tüzelőanyagok támogatását.”

Henry Fountain a New York Times „Climate Forward” című online rovatában azt írta, hogy „a világnak hamarosan erőteljesen csökkentenie kell a szén-dioxid-kibocsátást. Tehát még ha a fúziós erőművek valósággá válnak is, ez valószínűleg nem fog megtörténni időben ahhoz, hogy segítsen elkerülni a CO2 kibocsátást, a klímaváltozás rövid távú súlyosbodó hatásait. Sok klímakutató és politikai döntéshozó szerint sokkal jobb, ha a jelenleg elérhető megújuló energia-technológiákra, például a nap- és szélenergiára összpontosítunk, hogy elérjük ezeket a kibocsátási célokat.”

„Tehát ha a fúzió nem gyors megoldás az éghajlatra, akkor lehet-e hosszabb távú megoldás a világ energiaszükségletére?” folytatta. „Talán, de a költség lehet a probléma. A National Ignition Facility Livermore-ban, ahol a kísérletet végezték, 3,5 milliárd dollárból épült fel az eszköz.”

A Lawrence Livermore National Laboratory hosszú múltra tekint vissza a fúzióval kapcsolatban. Itt fejlesztették ki a hidrogénbombát Teller Ede atomfizikus vezetésével, aki az első igazgatója volt az intézménynek. Valójában régóta „a hidrogénbomba atyjaként” nevezték. A hidrogénbomba fúziót, míg az atombomba, amelyen Teller korábban a Los Alamos National Laboratory-ban dolgozott, hasadást használ. Az atombombák kifejlesztése Los Alamosban egy nukleáris ághoz vezetett: a hasadást hasznosító atomerőművekhez.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________