Magfúzió – definíció, működése, fúziós energia és csillagok

Magfúzió: miként működik, mi az energiaforrása és szerepe a csillagokban — fúziós energia, kihívások és jövőbeli lehetőségek a tiszta energiában.

Mi a magfúzió?

A magfúzió az a folyamat, amelynek során két könnyebb atommagból egyetlen nehéz atommag (atomrész) keletkezik. Ezt a folyamatot magreakciónak nevezzük. A magfúzió során nagy mennyiségű energiát szabadítanak fel: az egyesülő részecskék össztömege nagyobb, mint a keletkező mag tömege, és a kieső tömeg az Einstein híres E=mc2 egyenletével kapcsolatban energiává alakul át.

Hogyan működik a fúzió?

A fúziót az akadályozza, hogy mindkét érintett atommag pozitív töltésű, így kölcsönösen taszítják egymást (Coulomb-taszítás). Ennek legyőzéséhez rendkívül nagy hőmérséklet és gyakran magas nyomás szükséges, hogy az atommagok elég nagy sebességre gyorsuljanak és elegendően kis távolságra közeledjenek egymáshoz. A kvantummechanika lehetőséget ad tunelizésre is: alacsonyabb energiájú részecskék is átjuthatnak a tiltott potenciálgáton, aminek szerepe különösen a csillagok belsejében jelentős.

A fúziós reakciók energiatermelése a kötési energia per nukleon növekedésén alapul a könnyű elemek esetén; ezért a nagyon könnyű magok (például hidrogénizotópok) egyesülése energiafelszabadulással jár. Ez az energia elsősorban mozgási energia (kinetika) és sugárzás formájában jelenik meg.

Fő fúziós reakciók

• A laboratóriumi és erőmű-tervezetekben leginkább a deutérium–trícium (D–T) reakciót vizsgálják, mert viszonylag alacsonyabb hőmérsékletet igényel és nagy energiateljesítményű: D + T → He-4 + n (nagyenergiájú neutron).
• Más reakciók: D–D (deutérium–deutérium), D–He-3 (deutérium–hélium-3) és könnyebb-nehéz kombinációk. Néhány reakció töltött részecskéket ad ki (könnyebb energiakinyerés), mások neutronokat (anyagokra és szerkezetre nézve kihívás).
• Csillagokban a proton–proton lánc és a CNO-ciklus a legfontosabb szolgáltatók: a Napban főleg a proton–proton (pp) lánc működik, míg nagyobb tömegű, forróbb csillagoknál a CNO-ciklus dominál.

Magfúzió a csillagokban és csillagfejlődés

A fúzió a csillagok belsejében, például a Nap magjában zajlik. Itt a hidrogénatomok összeolvadnak héliummá, ami rengeteg energiát szabadít fel, és ez táplálja a csillag hőjét és fényét. A csillagok belsejében sorozatos fúziós lépések zajlanak: könnyebb elemekből folyamatosan egyre nehezebb elemek képződnek (például héliumtól szénig, oxigénig stb.).

Nem minden elem képes egyesülni nyereséges módon: a kötési energia per nukleon egy maximum körül — nagyjából a vas (körülbelül fém formában, Fe-56) közelében — éri el a csúcsot. Ezért a csillagok addig képesek energiát termelni fúzióból, amíg nem jönnek létre vasnál könnyebb magok; ha egy csillag magja eléri a vas képződését, onnantól a fúzió már nem hoz nettó energiát, a belső nyomás csökken, és ez hozzájárulhat a csillag összeomlásához és végső sorsához (szupernóva, fehér törpe, neutroncsillag vagy fekete lyuk). A nehezebb elemek létrejöttének nagy részéhez szupernóva-robbanások és neutronbefogási folyamatok (r- és s-folyamatok) kellenek.

Fúzió a Földön — kísérletek és módszerek

A Földön nagyon nehéz olyan magfúziós reakciókat elindítani és fenntartani, amelyek több energiát adnak ki, mint amennyi a reakció elindításához és fenntartásához szükséges. Ennek oka, hogy a fúziós reakciók csak nagyon magas hőmérsékleten és többnyire jelentős sűrűségnél játszódnak le. A pozitív töltések közötti taszítást csak úgy lehet leküzdeni, ha az atommagok nagyon nagy sebességgel ütköznek egymással — ezt szokták a plazma magas hőmérsékletével biztosítani.

Két fő megközelítés van a kísérleti és demonstrációs rendszerekben:

• Magbefogás (magnetikus confinement): tokamakok (például JET, ITER) és stellaratorok (például Wendelstein 7‑X) erős mágneses terekkel próbálják a forró plazmát megfogni és elválasztani a falaktól.
• Inerciális befogás (inertial confinement): nagy teljesítményű lézerekkel vagy impulzusokkal gyorsan összenyomják egy kis üzemanyag-célpontot; ez a megközelítés hasonlít a hidrogénbomba működéséhez, ahol egy atombomba (maghasadás) szolgál a fúzió beindítására.

Az egyetlen olyan összeomlásszerű megvalósítás, amely eddig biztos működést biztosított, a nukleáris fegyverekben található (hidrogénbomba), de a békés, irányított fúzió ennél jóval nehezebb és biztonságosabb megoldást igényel. A tudósok és mérnökök évtizedek óta dolgoznak a plazma stabilizálásán, az intenzív neutronáramú anyagokkal szembeni védekezésen, valamint a trítium megtermelésének és zárt üzemanyagciklusának megvalósításán.

Legfontosabb technikai és gyakorlati kihívások

• Elérni és fenntartani a szükséges hőmérsékletet (több tíz- vagy százmillió kelvin) és elég nagy konfined időt — ezt a Lawson-kritériummal, illetve a háromszoros termékkel (sűrűség × hőmérséklet × tartóidő) szokták jellemezni.
• Plazmainstabilitások (zavarok, turbulencia), amelyek energia-kiesést okoznak.
• Erős, nagyenergiájú neutronáramok okozta sodródás és anyagkárosodás; a szerkezetek radioaktív aktiválódása.
• Trícium előállítása és kezelése: a D–T üzemanyag hatékony üzemanyagciklust és lítiumot használó trítium-breeding rendszert igényel.
• Gazdaságosság: a berendezések költsége, élettartam és a működési költségek hosszú távú versenyképessége a megszokott energiaforrásokkal szemben.

Előnyök és várható előnyök

• Bőséges és széles körben elérhető üzemanyag: a deutérium a tengervízben található nagy mennyiségben; a lítiumból trítiumot lehet kémiával és neutronbefogással termelni.
• Kisebb mennyiségű hosszú élettartamú radioaktív hulladék a hasadáshoz képest; nincs láncreakciós kockázat (nem létezik "láncreakciós" fúziós robbanás irányítható körülmények között).
• Alacsony üvegházgáz-kibocsátás a működés során, így a fúziós erőmű potenciálisan tiszta energiát szolgáltathat.

Jelenlegi helyzet és jövő

A kutatás és fejlesztés folyamatos. Nagy, nemzetközi projektek — például az ITER tokamaképítése — célja az irányított fúzió demonstrálása és a nettó energiahozam elérése ipari méretekben. Kísérleti létesítmények, mint a JET, a Wendelstein 7‑X és a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium Inertial Confinement programja (NIF) fontos eredményeket értek el az utóbbi években; például a NIF 2022 körül mérföldkőnek tekintett kísérleteket publikált, amelyekben jelentős energiatermelést és új irányokat mutattak be az inerciális befogás terén. Ugyanakkor további fejlesztések és anyagtudományi áttörések szükségesek ahhoz, hogy a fúziós energia gazdaságilag is életképes és széles körben alkalmazható legyen.

Összefoglalás

A magfúzió olyan ígéretes energiaforrás, amely a természetben a csillagok belsejében is működik, és ha a Földön gazdaságosan és biztonságosan megvalósítható, hosszú távon tiszta, bőséges energiát biztosíthat. Az elméleti alapok és a kísérleti eredmények bíztatóak, de még mindig jelentős műszaki és gazdasági akadályok állnak előttünk, amelyeket a kutatás és a nemzetközi együttműködés segítségével kívánnak leküzdeni.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a magfúzió?

K: Hogyan működik ez a folyamat?

K: Hol zajlik ez a folyamat?

K: Minden elem képes egyesülni fúzióval?

K: Könnyű-e a Földön magfúziós reakciókat indítani?

K: Sikerült már valakinek irányítani vagy megfékezni ezeket a reakciókat az áramtermelés érdekében?

K: Mi volt eddig sikeres a magfúzióval kapcsolatban?

Keresés betűvel