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 több kell.
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.
Ezen szempontokból eleinte ígéretes reakciónak tűnt a 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 bár nem a legalacsonyabb hőmérsékleten indul be, hanem csak $100\ \mathrm{millió\ {}^\circ C}$-on, de a reagensek könnyen, viszonylag olcsón biztosíthatók és jelentős a folyamat energiafelszabadítása. Ezért 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 azonban 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. Az atomerőművekben 2 folyamat termel radioaktív anyagokat:
- a maghasadás termékei, a hasadvány magok (leánymagok) szinte kivétel nélkül radioaktívak
- a maghasadáskor nemcsak két közepes méretű 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), aztán az atommagokban elnyelődve nagy eséllyel radioaktív mag jön létre, ilyenkor mondjuk, hogy az atommag a neutrontól "felaktiválódik"
Az első folyamatot könnyű kiküszöbölni fúzió esetén, hisz sok rolyan fúziós eakció van, melyben nincs radioaktív termék. A második módszer viszont fúziós reaktorban is termelhetne radioaktív anyagokat.
A neutron azért aktiválhatja fel az őt elnyelő atommagot, mert a befogódásától 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:
$$\mathrm{n^0=p^++e^-+{\overline{ν}}_e}$$
Tehát a D-T fúziónak hátrányos tulajdonsága, hogy működés közben az erőmű szerkezeti elemei a termelődő neutronok miatt felaktiválódnak.
A probléma egyik kezelési lehetősége, hogy olyan (szokatlan) anyagok keresünk, amikből gyártva a szerkezeti elemeket, azok nem (nagyon) aktiválódnak fel a neutronsugárzás hatására, mert 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.
A fúzióban keletkező neutronok (nem kívánatos) felaktiváló hatása ellen a tuti fegyver, ha olyan fúziós reakciót választunk, amiben nem keletkezik neutron. Ezért természetesen valami "árat" kell fizetnünk, jelen esetben le kell mondunk az "olcsón hozzáférhető reagensek" eddig fennálló előnyéről.
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 protonok miért nem aktiválják 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 pályája 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) 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) ugyan 99%-ban protonokból és elektronokból áll, de tartalmaz $\mathrm{{}^3{He}}$ izotópokat is. A légkör nélküli Holdon a napszél akadálytalanul eljut a felszíni kőzetekig (regolit) és folyamatosan bombázza azt. 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 nem létező) űrtaxi el tudná hozni az emberiség energiaigényét fedező évi $100\ \mathrm{tonna\ {}^3{He}}$ mennyiségét a Holdról. 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.