Gyorskeresés

Fúziós erőmű a Földön, hélium-3 bányászat a Holdon 6278

Az emberiség régi álma, hogy “lehozza a Napot” a Földre. Egyszer már sikerült ez a manőver, ez volt tűzgyújtás (kémiai úton történő energiafelszabadítás), de ez már szó szerint ősrégi sztori. Azonban az embernek semmi nem elég, mindig többet akar.

Az 1930-as évek óta tudjuk, hogy a Nap számára az energiát nem kémiai reakciók (például égés), hanem fúziós magreakciók szolgáltatják. Tehát jó 80 éve előttünk már a kihívás, hogy mi is kiaknázzuk végre a Nap módszerét, és a fúziós energiát is a saját céljaink szolgálatába állítsuk. Az 1950-es évek óta folynak intenzív kutatások fúziós erőmű kifejlesztésére. Akkoriban 30-50 évre becsülték, amíg az első villamosenergia-termelő fúziós erőmű működni kezd majd. De hiába telt el azóta már 60-70 év, a prognózis alig változott: még mindig kell pár évtized.

Első gondolatunk az lehetne, hogy állítsunk elő pont olyan körülményeket, ami a Nap belsejében (magjában, ahol a fúzió zajlik) van, és akkor biztosan olyan fúziós erőművünk lesz, ami működni is fog. Csakhogy a Nap lemásolása nem ígéretes, mert:

  • a Nap belsejében 265 milliárdszor nagyobb a nyomás, mint a földfelszínen a légnyomás. Ezt semmiféle jelenleg megépíthető berendezés nem lenne képes elviselni. 
  • A csillagok ugyan emberi léptékkel elképesztő mennyiségű energiát szabadítanak fel (például a Napban a fúziós reakciók teljesítménye $4\cdot 10^{26}\ \mathrm{W}$, míg a világ összes villamos erőműve kb. $5\cdot 10^{12}\ \mathrm{W}$ teljesítménnyel termel), mégis, ha kiszámoljuk a fúzió teljesítménysűrűségét a Nap magjában (ami egy kb. $70\ 000\ \mathrm{km}$ sugarú gömb), akkor nagyságrendileg csupán $10\ \mathrm{\displaystyle \frac{MW}{\ m^3}}$ érték jön ki. Vagyis egy nagyobb atomerőművi blokknak megfelelő $1\ \mathrm{GW}$ hőteljesítményű "napszerű" fúziós reaktor nagyságrendileg egy $300\ \mathrm{méter}$ sugarú gömb méretű lenne. Ez műszaki szempontból szinte kivitelezhetetlennek, gazdasági szempontból pedig soha meg nem térülően drágának tűnik. Ezzel szemben egy paksi blokkban a hőtermelés teljesítménysűrűsége kb. $90\ \mathrm{\displaystyle \frac{MW}{\ m^3}}$. Tehát a Napban a teljesítménysűrűség kicsit, vagyis csak lassacskán duruzsol, türelmesen "égeti" a hidrogénkészleteit, ezért tart 10 milliárd évig a fényes, hidrogéntégető korszaka. Az ember azonban gyorsan akar sokat.

Ezek miatt a Napétól eltérő körülményekkel kell megpróbálnunk a mesterséges fúziót.

A fúziós energiafelszabadító (hőtermelő, exoterm) magreakciók száma elég nagy, ezért első körben számos szóba jöhet a földi fúziós erőművek számára. Azonban többüknek csak nagyon magas hőmérsékleten lesz jelentős a reakció valószínűsége. Másik szempont, hogy a fúziós reakció reagensei legyenek valamennyire olcsón hozzáférhetőek. Ugyanakkor a fúziós energiatermelésnél különösen fontos szempont, hogy ne keletkezzen radioaktív hulladék. Az atomerőművekben 2 folyamat termel radioaktív anyagokat:

  • a maghasadás termékei, a hasadvány magok (leánymagok) szinte kivétel nélkül radioaktívak
  • a maghasadáskor nemcsak két közepes méret mag keletkezik, hanem felszabadulnak neutronok is, amik nemcsak újabb hasadásokat válthatnak ki (fenntartva a láncreakciót), hanem a reaktorban lévő anyagok atommagjaiba "befurakodhatnak" (hiszen a neutron semleges, így nem taszítja el őket az atommag pozitív töltése), és az atommagokban elnyelődve általában radioaktív mag jön létre; úgy mondjuk, hogy az atommag a neutrontól "felaktiválódik"

Az első folyamat fúzió esetén nincsen, de a második módszer fúziós reaktorban is termelhetne radioaktív anyagokat. Ez úgy akadályozzák meg, hogy olyan fúziós reakciót választanak, melyben nem keletkezik neutron, hanem csak töltött részecskék, például proton, ami a pozitív töltése miatt nehezen tudja megközelíteni a szerkezeti elemek pozitív töltésű atommagjait olyan mértékben (\(2\ \mathrm{fm}\)-nél közelebb), hogy a magerő működésbe lépjen, és valami magreakció induljon be, ami jó eséllyel radioaktív termékkel járna. Így végül a legelőnyösebbnek bizonyult reakció az ún. deutérium-trícium fúzió:

\[\mathrm{{}^2H+{}^3H\to {}^4{He}+{}^1_0n+17,6\ MeV}\]

vagy ugyanez más jelölésekkel:

\[\mathrm{D+T\to {}^4{He}+{}^1_0n+17,6\ MeV}\]

Ez ugyan nem a legalacsonyabb hőmérsékleten indul be, hanem csak $100\ \mathrm{millió\ {}^\circ C}$-on, de a reagensek könnyen, viszonylag olcsón biztosíthatók, jelentős az energiatermelése és közben nem szabadul fel neutron, így nem fog tőle felaktiválódni maga a reaktor; nem keletkezik radioaktív hulladék. Ezzel a fúziós rekacióval fog működni a jelenleg kb. $15\ \mathrm{milliárd\ EUR}$ költségvetésből Franciaországban építés alatt álló ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ami még nem egy villamosenergia-termelő reaktor lesz, hanem a fúziós reaktorok kifejlesztésére irányuló tudományos kutatások kísérleti berendezése:

A tórusz (úszógumi) alakú térrészben áramlik majd a 100 millió fokos plazma (benne mindössze $1\ \mathrm{gramm}$ tríciummal!), amit a körülötte lévő hatalmas elektromágnesek mezeje tart egyben, valamint az edény falától távol. Az ideális gáz állapotegyenletére pillantva

\[p\cdot V=n\cdot R\cdot T\]

azt látjuk, hogy ha a $T$ hőmérséklet nagyon nagy, akkor ez a bal oldalon a $p$ nyomást növeli, kivéve ha a $V$ térfogatot is megnöveljük, vagy az $n$ mólszámot lecsökkentjük. A térfogatot műszaki és gazdaságossági okokból nem növelhetjük nagyon. Vagyis ha azt akarjuk hogy a tartály képes legyen elviselni a plazma nyomását, akkor a mólszámot muszáj csökkentenünk. Persze akármennyire nem szabad, hiszen attól meg nagyon ritka lenne a plazma, és az ütközések gyakorisága lecsökkenne. Úgy tűnik, van jó kompromisszum: a nyomás nagyságrendileg 100 000-szer vagy milliószor kisebb lesz, mint a normál légnyomás, ekkor a fúzió beindulásához szükséges 100 millió fokon sem lesz elviselhetetlenül nagy a nyomás, de elfogadható gyakorisággal fognak ütközni és fuzionálni a magok. Érdekes, hogy bár maga a plazma közvetlenül nem fejt ki nyomás a tartályra, de mivel mágneses mezővel van egyben tarva (összenyomva), ezért az elektromágnesek hatalmas (összepréselő) erőket fejtenek ki a plazmára, aminek pedig Newton III. törvénye miatt lesz ellenereje: a plazma hatalmas erővel "tolja szét" a mágneses mezőt létrehozó elektromágnes tekercseit. Műszaki szempontból nagy kihívás ezt a jókora "széttoló" erőt kordában tartani.

Az élet sosem egyszerű, ezzel a reakcióval van egy komoly gond: a radioaktivitás. Márpedig a fúziós erőmű lényege pont az lenne a jelenlegi, szintén magenergiát (csak nem fúzióst, hanem maghasadásit) hasznosító atomerőművekkel szemben, hogy ne keletkezzen radioaktív hulladék. Radioaktív anyagok itt amiatt termelődnek, mert a fúziós reakcióban keletkező neutron - semleges lévén - nem érzékeli a környezetében lévő atommagok elektromos taszítását, így nagyon meg tudja közelíteni az atommagokat, és a magerő révén befogódhat mindenféle atommagokba. De ettől a magban felborulhat a protonok és neutronos optimális aránya, és a mag a neutronfeleslegét radioaktív $\beta^{-}$‑bomással szünteti meg, melynek során egy neutron protonná, elektronná és anti‑elektronneutrínóvá alakul át:

$$\mathrm{n^0=p^++e^-+{\overline{ν}}_e}$$

Az olyan neutronbefogódást, ami után a befogó mag radioaktívvá válik, felaktiválódásnak nevezzük. Tehát a D-T fúziónak hátrányos tulajdonsága, hogy működés közben az erőmű szerkezeti elemei felaktiválódnak. A kutatások olyan (szokatlan) anyagok keresésére is irányulnak, amikből gyártva a szerkezeti elemeket, azok nem aktiválódnak fel a neutronsugárzás hatására (mert hogy az atommagjaik vagy nem szeretik befogni a neutront, vagy a neutronbefogás hatására nem válnak radioaktívvá; ilyen például a szilícium és a szén, illetve a belőle készíthető szilícium-karbid). 

Ha a fent vázolt két szempont helyett módosítjuk a célfüggvényt, azaz inkább azt preferáljuk, hogy továbbra is legyen nagy a reakció valószínűsége, de elvárjuk azt is, hogy ne termelődjenek radioaktív anyagok, akkor ezért valami "árat" kell fizetnünk: le kell mondunk az "olcsón hozzáférhető reagensek" előnyről.

Így jön képbe a $\mathrm{{}^3{He}}$, mint kiváló fúziós alapanyag. Miért lehet jobb ez, mint a  $\mathrm{{}^2{H}}$ deutérium és a  $\mathrm{{}^3{H}}$ trícium? Gondoljunk arra, hogy a  $\mathrm{{}^3{He}}$ mag 2 protonja ugyanolyan baromi erősen tíszítja egymást, mint a $\mathrm{{}^4{He}}$ szintén 2 protonja, de itt csak 3 nukleon között van az összetartó magerő, szemben a $\mathrm{{}^4{He}}$‑ben lévő 4 nukleonnal. Így a hélim-3 csak gyengén kötött állapot a nukleonok számára. A  $\mathrm{{}^3{He}}$ izotóppal szóba jövő egyik fúziós energiatermelő reakció (ami a Nap belsejében is zajlik, és ott az energia $69\%$‑át termeli a $pp\thinspace \unicode{x2013} \thinspace I$ ciklus végső lépéseként), a következő:

\[\mathrm{{}^3{He}+{}^3{He}\to {}^4{He}+2{}^1H+12,86\ MeV}\]

Ebben a reakcióban sem a reagensek, sem a termékek között nincsen radioaktív anyag (és mivel nem keletkezik neutron, így neutronos felaktiválódástól sem kell tartani), és elég sok energiát is termel. A keletkező és nagy sebességgel kirepülő proton miért nem aktiválja fel a reaktor szerkezeti elemeit, ahogy a $D\thinspace \unicode{x2013} \thinspace T$ reakcióban a kirepülő neutron teszi? Azért, mert a kirepülő pozitív töltésű proton és a szerkezeti anyagok pozitív atommagojai taszítják egymást, ezért egy maghoz közeledő proton páláyálya eltérül, elhajlik, így csak elhanyagolhatóan kicsi eséllyel fogja megközelíteni a magot olyan pici $(1\unicode{x2013} 2\ \mathrm{femtométeres)}$ távolságra, hogy a magerő működésbe léphessen és a proton befogódhasson a magba. Tehát a radioaktivitás szempontjából a fenti $\mathrm{{}^3{He}}$ fúziós reakció jobb, mint a $D\thinspace \unicode{x2013} \thinspace T$ reakció. Azonban a $\mathrm{{}^3{He}}$ rettenetesen ritka izotóp, így aztán borzasztó drága. Valamit ki kellene találnunk, hogy lehetőleg minél kevesebbre legyen szükségünk belőle. Erre a problémára kínálkozik egy fúziós reakció, mely megfelezi a $\mathrm{{}^3{He}}$ szükségletet:

\[\mathrm{{}^3{He}+{}^2H\to {}^4{He}+{}^1H+18,3\ MeV}\]

Ez azért jó, mert a $\mathrm{{}^2H}$ (más néven deuteron) izotóp a Földön lényegében korlátlan mennyiségben rendelkezésre áll, mivel a tengervízben $\mathrm{(H_2O)}$ lévő hidrogénatomok közül kb. minden 7000-edik deutérium:

Ebben a reakcióban sem keletkeznek radioaktív anyagok, sem felaktiválüdást okozó neutronok. És most már csak fele annyi $\mathrm{{}^3He}$ izotópot kell valahonnan szereznünk! De konkrétan mennyi $\mathrm{{}^3{He}}$ kellene, és ehhez képest mennyink van? Ha ezzel a "csak feleannyi" hélim-3 izotópot igénylő

\[\mathrm{{}^3{He}+{}^2H\to {}^4{He}+{}^1H+18,3\ MeV}\]

reakcióval szeretnénk ellátni az emberiséget villamosenergiával, akkor is kb. évi $100\ \mathrm{tonna\ {}^3{He}}$‑ra lenne szükségünk. Ezzel szemben a Földön számunkra elérhető helyeken található $\mathrm{{}^3{He}}$ teljes mennyisége csupán $15\ \mathrm{tonna}$. Elérhető helynek az atmoszféra (légkör) és a földkéreg felső rétegei számítanak (csupán néhány km mélységig tudunk bányászni, míg a szilárd földkéreg $30\unicode{x2013} 40\ \mathrm{km}$ vastag). Ugyan a földkéreg alatt, a köpeny határánál feltehetően sok $\mathrm{{}^3{He}}$ van még, de a földkéreg alja jelenleg számunkra hozzáférhetetlen. A $\mathrm{{}^3{He}}$ ritkaságát mutatja, hogy például az USA teljes $\mathrm{{}^3{He}}$ készlete mindössze $29\ \mathrm{kg}$. Ezt mesterségesen állították elő, a trícium spontán $\beta $‑bomlásának terméként:

\[\mathrm{{}^3H\to {}^3{He}+e^-+{\overline{\nu }}_e}\]

A fenti bomlás felezési ideje $12\ \mathrm{év}$, így a $\mathrm{{}^3{He}}$‑má alakulásához csak tríciumra, türelemre és egy hermetikusan záró tartályra van szükség.

De honnan van a $\mathrm{{}^3H}$ trícium? Ezt atomerőművekben lehet előállítani, mivel az atomerőművek intenzív neutronsugárzást bocsátanak ki. Nem kell mást tenni, mint egy lítium fémtömböt "ott felejteni" egy atomerőmű közelében, és az alábbi reakcióval a neutronsugárzás hatására létrejön a trícium:

\[\mathrm{{}^6{Li}+{}^1_0n\to {}^4{He}+{}^3H}\]

A lítium már nem eszeveszettül ritka anyag (gondoljunk a sok mobiltelefon, laptop, tablet, elektromos autó akkumulátoraira, amik mind lítiumot tartalmaznak), ezért a $\mathrm{{}^3{He}}$‑hoz képest sokkal olcsóbb is. A természetes lítium ugyan nem tisztán \(\mathrm{{}^6{Li}}\) izotópokból áll (a fenti reakcióban a kiindulási anyag), de minden 13. lítiumatom szerencsére ilyen (a többi \(\mathrm{{}^7{Li}}\) izotóp), ami elég magas arány. De ezzel a módszerrel nem lehetséges évi $100\ \mathrm{tonna}$ nagyságrendben $\mathrm{{}^3{He}}$ izotópot előállítani.

Ha ilyen sok $\mathrm{{}^3{He}}$‑ra fáj a fogunk, akkor mernünk kell nagyot álmodni, és a Földön túlra kell tekintenünk! A "szomszédságunkban" (úgy $400\ 000\ \mathrm{km}$‑re innen) a Holdon is van $\mathrm{{}^3{He}}$. Ugyanis a Nap "párolgása", a napszél (a Napból kiáramló, és hozzánk megérkező nagy sebességű részecskék zápora) tartalmaz szép számmal $\mathrm{{}^3{He}}$ izotópokat is. A légkör nélküli Holdon a napszél akadálytalanul eljut a felszíni kőzetekig (regolit) és folyamatosan bombázza azt, és nemcsak protonokkal, elektronokkal, hanem $\mathrm{{}^3{He}}$ magokkal is. A becsapódó $\mathrm{{}^3{He}}$ magok elrabolnak a kőzet atomjaitól 2 elektront, és semleges $\mathrm{{}^3{He}}$ atommá alakulnak. Bár kémiai kötéssel nem tudnak hozzákapcsolódni a holdkőzethez (hiszen a hélium kémiai szempontból egy reakcióképtelen nemesgáz), de mivel nagy sebességgel csapódtak be a holdkőzetbe, ezért a kőzet felszínénél mélyebbre fúródnak, és ott másodlagos (gyenge) kötéssel hozzátapadnak a holdkőzet atomjaihoz, molekuláihoz. Mivel a napszél évmilliárdok óta bombázza a regolitot, ezért mostanra a holdkőzet felső része a becslések szerint $2,8\ \mathrm{ppb}$ (part pro billion azaz milliárdodrész) $\mathrm{{}^3{He}}$ tartalmúvá vált (ezt szokás fellengzősen úgy emlegetni, hogy "a regolitban feldúsult a $\mathrm{{}^3{He}}$). Ez azt jelenti, hogy $1000\ \mathrm{tonna}$ holdkőzetben van $2,8\ \mathrm{gramm\ {}^3{He}}$. Ez a Hold teljes felszínét nézve összesen $1\unicode{x2013} 5\ \mathrm{millió\ tonna\ {}^3{He}}$‑at jelent, vagyis az emberiség villamosenergia-szükségletét ez 10‑50 ezer évre fedezhetné. A $\mathrm{{}^3{He}}$ kinyeréséhez a holdhőzetet $800\ \mathrm{Ceslius\ fokra}$ kellene felhevíteni, attól már "kipárologna" a kőzetből (ez persze nem párolgás, hiszen a $\mathrm{{}^3{He}}$ nem folyékony halmazállapotból váltana légnemű halmazállapotba, hanem a felmelegítéskor a hőmozgás olyan hevessé válna, hogy a gyenge másodlagos kötések már nem lennének képesek a $\mathrm{{}^3{He}}$‑at a kőzetben tartani, így az kidiffundálna). Az egykori, már nyugdíjazott űrsiklók

kb. $25\ \mathrm{tonna}$ hasznos terhet tudtak szállítani, vagyis évi 4 fuvarral egy hozzájuk hasonló (egyelőre még kifejlesztendő) űrtaxi el tudná hozni az emberiség energiaigényét fedező évi $100\ \mathrm{tonna\ {}^3{He}}$ mennyiségét a Holdról (inkább 5-6 fuvar lenne, hiszen a tartályoknak is lenne tömege). Azonban ez most még csak távoli terv, ugyanis a Holdon zajló bányászatnak nemcsak a technikai nehézségei megoldatlanok, de az űrbányászat jogi szabályozása is bizonytalan. Mindenesetre időről időre felröppennek hírek, hogy egyik-másik (nagyobb) ország bejelenti, hogy a Hold felszíni kőzetének $\mathrm{{}^3{He}}$ tartalmát kitermelésének lehetőségét vizsgálja.

Miért nincs a földfelszíni kőzetekben is ugyanilyen okokból $\mathrm{{}^3{He}}$ tartalom? Mert a földi atmoszféra elnyeli a napszél legnagyobb részlt, így nálunk le sem jutnak a napszéllel érkező $\mathrm{{}^3{He}}$ magok a felszínig.

Egy ilyen elképzelt, hélium-3 bányászattal foglalkozó holdbázis életét filmesíti meg Hold címmel egy kiváló hollywoodi sci-fi.

Fejezet: 
Típus: