2023. február 27. 22:33 - Gazz

A fúziós erőművek üzemanyaga

Ha most megkérdeznénk a fizikával és a technológiával képben levő embereket - ezt maximum a népesség 15%-ára becsülöm -, hogy a jövő fúziós erőművei milyen üzemanyagot fognak használni, a válaszadók kilencven százaléka azt válaszolná, hogy a hidrogént.

És mind tévednének. De csak majdnem.

Ennek megyünk ma utána.

Amikor valaki a fúziós energiát akarja népszerűsíteni az átlagembernek, gyakran szóba kerül, hogy a napban zajló folyamatokat akarják a földön megvalósítani, hogy azt energiatermelésre használhassák.

Ez viszont egy téves elképzelés. A napban zajló folyamatok nem valósíthatóak meg a földön. Míg az ottani hőmérsékletet elő tudjuk a földön állítani, de a fúzióhoz szükséges nyomást és térfogatot korántsem. Ez az utóbbi követelmény első hallásra talán meglepő lehet, pedig egy rendkívül fontos követelmény. Nézzük meg ezt egy kicsit közelebbről.

A napban a fúziót elsősorban teljesen közönséges hidrogén atommagok hélium atommaggá történő egyesülése okozza ( van egy másik metódus is, de erről majd később). A folyamat több lépésből áll, a mi szempontunkból az első lépésnek van döntő jelentősége.

1H + 1H → ²H + e+ + νe    (τ ~ 7·109 év)

Ez magyarra lefordítva azt jelenti, hogy két protonból lesz egy deutérium atommag, ami egy protonból és egy neutronból áll. Láthatjuk tehát, hogy az egyik proton neutronná változik. Ezt úgy tudja megtenni, hogy a pozitív töltése távozik egy pozitron képében, az energiakülönbséget pedig egy neutrinó viszi el. 

Zárójelben jegyzem meg, hogy a magfizika egyik nagy kérdése, hogy a proton magától is el tud-e bomlani neutronná, vagy ehhez két proton ütközése szükséges.

A mi szempontunkból van még el nem hanyagolható részlet, mégpedig az, hogy a folyamat cirka hétmilliárd évet vesz igénybe átlagosan.

Joggal merül fel a kérdés, hogy hogy a fenébe tud a nap ennyi energiát sugározni, ha ilyen lassú a folyamat?

Itt jön képbe a nyomás és a térfogat. A kettő szorzata a részecskék számával arányos. A Nap akkora nagy gombóc, hogy ha egy év alatt csak a hétmilliárdod része is fuzionál, még az is óriási energiát jelent. Emellett a felület és a térfogat aránya a nap esetében nagyságrendekkel kisebb, mint pld. a Föld esetében, ami azzal a következménnyel jár, hogy térfogatához képest csak kis felületen keresztül tudja ezt a felszabaduló energiát kisugározni, annak nagy része belül marad, és a magas hőmérsékletet biztosítja.

Az, hogy ez az első lépés ilyen lassú, valójában a mi nagy szerencsénk. Ennek köszönhető, hogy a csillagunk évmilliárdokon keresztül stabil, és nem válik egyből szupernóvává, mihelyst egy kis hidrogén összegyűlik.

Na most itt a Földön természetesen nincs időnk arra, hogy évmilliárdokat várjunk, hogy a proton méltóztasson neutronná alakulni, így a közönséges hidrogént ki is húzhatjuk a szóba jöhető földi fúziós üzemanyagok listájáról.

Ami nagy kár, mert a szóba jöhető alternatívákból már jóval kevesebb van. Szerencsére azért még így is elegendő.

Mint írtam, az első lépésben deutérium atommag keletkezik. A helyzet az, hogy innét kezdve a folyamat viszont már megy mint a karikacsapás, pillanatok alatt lezajlik. A deutérium atommag ugyanis négyféle módon juthat el addig, hogy hélium atommag legyen belőle, van tehát választék bőven. Ezeket viszont most nem részletezném, mert ez egy alapvetően ismeretterjesztő poszt, és nem akarom untatni az olvasókat.

Annyit viszont érdemes tudni, hogy a fúziós folyamatoknak ugyanúgy megvan a logikája, mint a legónak. Ha megvannak az alapvető építőelemeink, szinte bármit össze tudunk rakni. Mivel a hélium atommag protonokból és neutronokból áll, ezért olyan anyagokat kell választanunk, amelyek ezeket a részecskéket már eleve tartalmazzák, és magasabb energiaszinten léteznek, mint a hélium atommag. Ahogy a nap fúziós folyamatánál láttuk, éppenséggel az is lehetséges, hogy a protonból neutron álljon elő, csak ez rendkívül lassú folyamat, úgyhogy ilyen utakat inkább ne keressünk.

 A Földön található anyagok közül a deutérium az, ami alkalmas fúziós üzemanyagnak, és viszonylag sok van belőle. De vannak más opciók is. Nézzük az alábbi táblázatot.

Első látásra ez sok mindenkit elriaszthat, de rögvest elmagyarázom, mire kell figyelni.

Az első oszlopban van, hogy milyen két részecskét kell összeütköztetnünk, a másodikban az ütközéshez szükséges energia látható, a harmadikban pedig némi leegyszerűsítéssel a sikeres ütközés valószínűségével arányos számot láthatunk. Ha a számokat összevetjük, akkor az látható, hogy a legkönnyebben a deutérium-trícium fúzió valósítható meg, mert itt a legnagyobb a sikeres ütközés valószínűsége, és az ehhez szükséges energia a legkisebb.

Van azonban egy kis bibi. Trícium nem igazán található a Földön, azt mesterségesen kell előállítani. Erre több lehetőség is van.

Egyrészt a CANDU típusú atomerőművekben a működési módból következik, hogy trícium képződik. A CANDU reaktorainak egyébiránt kiemelkedően paraméterei vannak. Ez a reaktor ugyanis nem igényel dúsított urán, a sima kibányászott fémmel is beéri, ezért üzemeltetése sokkal olcsóbb, mint a többi reaktoré. Emellett a fűtőelemek sokkal jobban "kiégnek", mint a dúsított uránt tartalmazók, valamint bizonyos mértékig az uránnál olcsóbb tóriummal is lehet vegyíteni az uránt, így még gazdaságosabb a működése. Egy nagy gond van vele, hogy a hűtőközege nehézvíz a sima víz helyett, az meg elég drága. Persze az is igaz, hogy csak egyszer kell feltölteni vele, de még így is.

Szóval a CANDU reaktorban nehézvíz van, ami annyiban különbözik a víztől, hogy H2O helyett D2O a képlete, magyarán deutériumot tartalmaz. A deutérium egy része viszont a fűtőrudakból kiáramló neutronok lassítása helyett inkább összeolvad azokkal, és így trícium keletkezik. Nem sok, de nem is elhanyagolható mennyiségű. A trícium gyengén radioaktív, ezért nem lehet csak úgy szabadjára engedni, mert ha egyszer kijut a környezetbe, lehetetlen megszabadulni tőle, amíg le nem bomlik. Úgyhogy ezekben a reaktorokban megoldották a trícium leválasztását, ami meglehetősen költséges dolog ugyan, de megéri, ugyanis a trícium az aranynál is drágább.

Hogy hogyan lesz olcsó energia a fúziós erőművekben, ha az üzemanyag egyik összetevője drágább az aranynál?

Hát izé.....

Először is tiszteletlenség ilyen piszlicsáré részletkérdéssel zargatni a tudós urakat, másrészt ha már annyira erőszakoskodnak ezzel a jelentéktelen részletkérdéssel, akkor egye fene, eláruljuk, hogy a fúziós reaktorok belső falát majd lítiummal vonjuk be, és a lítiumból a fúzió során keletkezett neutronsugárzás hatására majd trícium szabadul fel, íly módon a reaktor megtermeli a saját működéséhez szükséges tríciumot.

Elméletben ez szépen hangzik, a gyakorlatban viszont itt is jelentkezik a valószínűség, ami beleköp a levesünkbe.

Nem minden neutron reagál a lítiummal, így kevesebb trícium keletkezik, mint amennyire a reaktor működésének fenntartásához szükséges. Vagyis külső forrásból kell valamennyi tríciumot pótolni, az meg, mint tudjuk, drágább az aranynál.

Ezek alapján a D-T reakcióra alapozott energiatermelés bukónak látszik.

Nézzük tovább a listát. Rögtön a második helyen található a D-D reakció, amihez csak a relatíve olcsó deutérium szükséges. Ezzel viszont az a bibi, hogy kb. százszor annyi energia kell a beindításához, mint a D-T reakciónak.

Ez praktikusan lényegesen nagyobb hőmérsékletet jelent. Egyenlőre még a D-T reakció működéséhez szükséges 100 millió fokos hőmérséklet elérése is éppen hogy sikerülget, nem úgy tűnik, hogy egyhamar el tudjuk érni a D-D reakció beindulásához szükséges,

A helyzet azért nem teljesen reménytelen. A reakció kisebb valószínűséggel alacsonyabb hőmérsékleten is bekövetkezik, így ha a nyomást és a térfogatot növelni tudjuk, akkor elérhetjük azt, hogy a szükséges mennyiségű reakció bekövetkezzen. Márpedig ha megfelelő számú deutérium atommag összeolvad, akkor az már termel annyi hőt, hogy a reakció igazán beinduljon. 

( Tennék itt egy újabb zárójeles megjegyzést. Tudósok azt gyanítják, hogy a Jupiter belsejében termelődő hőtöbblet forrása éppen ez a bizonyos D-D reakció, mert ott a sima hidrogén fúziójához ugyan nem adottak a körülmények, de egy alacsony intenzitású  D-D reakcióhoz viszont akár megfelelőek is lehetnek.)

A Tokamak, Stellarator, és pár egyéb típusú reaktornál a nyomást erős mágneses tér kialakításával lehet növelni. Ebben még vannak kiaknázatlan lehetőségek, szóval nem reménytelen elérni a megfelelő körülményeket a reaktorkamrában. A felszabaduló rendkívül erőteljes neutronsugárzás viszont probléma lesz. Ezek szállítják majd az energia nagy részét, tehát vízben kell elnyeletni őket, ami ettől felmelegszik. Másrészt viszont itt a víz mindenképpen csak a berendezésen kívül tud lenni, tehát a sugárzás magát a berendezést erősen károsítani fogja.

Ennek kiküszöbölésére több startup is inkább olyan magreakcióval kezdett el kisérletezni, amelyeknél nem keletkezik neutron sugárzás. Ezeket aneutronikus reakcióknak hívják, és elég sok különböző folyamat jöhet szóba.

Deuterium - 3He 2D + 3He   4He + 1p + 18.3 MeV
Deuterium - 6lithium 2D + 6Li 2 4He     + 22.4 MeV
Proton - 6lithium 1p + 6Li 4He + 3He + 4.0 MeV
3He – 6lithium 3He + 6Li 2 4He + 1p + 16.9 MeV
3He - 3He 3He + 3He   4He + 2 1p + 12.86 MeV
Proton – Lithium-7 1p + 7Li 2 4He     + 17.2 MeV
Proton – Boron-11 1p + 11B 3 4He     + 8.7 MeV
Proton – Nitrogen 1p + 15N   12C + 4He + 5.0 MeV

 

Ebből kettőhöz a hélium hármas tömegszámú izotópja szükséges. Össze lehet két ilyen izotópot is olvasztani, de deutériummal vegyítve is működik a reakció. Mindkét esetben protonok szabadulnak fel, amely azért szerencsés, mert a proton töltött részecske, és a mozgási energiáját nagyon jó hatékonysággal elektromos energiává lehet konvertálni. Nem mellesleg mágneses mezőkkel jól irányítható, így a berendezéseket meg lehet óvni a sugárzástól. Mivel a 3He töltése kétszerese a protonénak, könnyen belátható, hogy itt nagyobb energia kell ahhoz, hogy a töltések taszítását legyűrve a fúziót előidézzük.

A bibi ott van, hogy 3He a földön alig található. Lehet éppen termelni, de ha elmondom hogyan, a kedves olvasó röhögni fog. Trícium bomlásával keletkezik. Igen, megint ahhoz az anyaghoz jutottunk el, ami drágább az aranynál.

A helyzet viszont ezúttal kicsit jobb. A földön valóban alig van 3He, de a hold talajában, a regolitban viszont dögivel található, ugyanis a napszél jelentős része ebből áll, és az légkör híján évmilliárdok óta közvetlenül bombázta azt.

Persze amíg nem tudunk olcsón eljutni  holdra, ez így sem olcsóbb az aranynál, de legalább a távlat körvonalazódik.

Szerencsére a fenti táblázatban bőséggel találhatunk olcsóbb alternatívákat. Így például a lítium sima hidrogén atommaggal -vagyis protonnal reagáltatható, de választhatunk deutériumot. Lítiumból viszonylag sok található a földön. De ott van például a bór - proton reakció. Bórból tényleg sok van, hidrogénből is. A gond ezekkel a reakciókkal az, hogy nagyon magas begyújtási hőmérsékletet igényelnek, mert a reakcióban részt vevő atommagok egyikének többszörös a töltése. A lítium se kutya a háromszoros töltéssel, de a hat elemit töltéssel rendelkező bór reagáltatásához már ezer-millió fok feletti hőmérséklet kell. Ezt lézerrel, vagy speciális mágneses kamrákkal igyekeznek elérni. A technológiát a TAE, HB11, és LPPP Fusion cégek fejlesztik, ezek mind amerikaiak. 

A saját véleményem az, hogy - bár a legegyszerűbb megvalósítani - a tríciumot igénylő erőművek vakvágányok. A nemzetközi összefogással épülő ITER reaktor például pont ilyen.

A csak deutériumot használó reaktoroknak szerintem komoly esélyük van a sikerre, de ha fogadni kellene, én inkább valamelyik aneutronikus reakciót használó típusra tenném meg a tétemet, az első pozitív eredményeket pedig az évtized végére várom. 

Szerencsére a fúziós kutatások már egyáltalán nem csak a tokamakokról, és az ITER-ről szólnak. Ebben az évezredben rengeteg különböző elven működő kísérleti reaktor kialakítása kezdőtdött meg, és óriási pénzeket fektettek bele a kutatásokba. Egyszerre legalább 15 vasat tartunk most a tűzbe. Én kifejezetten bizakodó vagyok.

Szólj hozzá!

A bejegyzés trackback címe:

https://gazz.blog.hu/api/trackback/id/tr9018015680

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

Nincsenek hozzászólások.
süti beállítások módosítása