Néhány évtized múlva jöhet a fúziós reaktor – dr. Nagy László fizikussal beszélgettünk

Amerikai kutatók december közepén bejelentették, hogy áttörést értek el a fúziós energia kutatásában, sikerült több energiát felszabadítani, mint amennyit a rendszerbe betápláltak. A napjainkban tapasztalható energiaválsággal és a környezetvédelemmel kapcsolatos problémák fényében mi ennek a jelentősége? Mikorra várható, hogy a nukleáris fizika utóbbi jó fél évszázadának egyik szent gráljának számító fúziós erőmű megépül és elkezdi termelni a tiszta és olcsó energiát?

A magfúzió során a hidrogén atommagok egyesülnek hélium atommaggá miközben nagy energia szabadul fel. Mivel a pozitív töltésű atommagok taszítják egymást, ahhoz, hogy a magok egyesülhessenek, nagy energával kell egymás felé „lökni” őket. Ezért a magfúzió megvalósításához nagy hőmérsékletre van szükség az anyag nagy sűrűsége mellett. Ilyen magfúziós folyamat játszódik le a Nap és más csillagok belsejében.

Több mint 50 éve próbálkoznak az ellenőrzött magfúzió megvalósításával a Földön is. (Ellenőrizetlenül, robbanásszerűen megvalósították, az a hidrogénbomba.) Legnagyobb esély a sikerre akkor van, ha a hidrogén két nehezebb izotópját próbálják fuzionálni, a deutériumot és a tríciumot. Alapvetően két úton próbálják létrehoznia a magfúzió beindításához szükséges különleges körülményeket. Az első esetében a több mint százmillió fokos plazma állapotú hidrogént mágneses mező segítségével próbálják összetartani. Ennek leghatékonyabb formája a tórusz (gyűrű) alakú mágneses mező. Az ilyen típusú fúziós reaktorokat tokamaknak hívják. Több ilyen berendezés működik a világ különböző országaiban, és sikerült is magfúziót megvalósítani, de a termelt energia jóval kisebb volt a plazma felfűtéséhez és összetartásához szükséges energiánál. Széles körű nemzetközi együttműködésben Franciaországban épül az eddigi legnagyobb méretű tokamak, az ITER. Itt úgy tervezik, hogy 2030 körül kezd el működni, de ez csak kísérleti erőmű lesz, nem fog hasznos energiát termelni.

Az első energiatermelő fúziós reaktor elindítását 2050 körülre tervezik.

A másik módszerrel, az inerciális bezárással a kaliforniai National Ignition Facility (NIF) kutatóintézetben próbálkoznak. Ennek lényege az, hogy az atommagokat nagy energiával egymás felé lökik, és így létrejöhet a magfúzió. Itt azonban nem tartja össze semmi a plazmát, és az egész folyamat a másodperc tört része után véget ér. Az NIF-ben a deutérium-trícium keveréket cseppfolyós állapotban kicsi, borsszem nagyságú gömbbe zárják, majd ezt pillanatszerűen, 192 nagy teljesítményű lézer segítségével minden oldalról egyszerre megvilágítják. Ennek hatására az anyag több millió fokra felmelegszik és a sűrűsége ezerszeresére nő. Ilyen körülmények között létrejön a magfúzió, de mivel a plazma instabil, nagyon rövid ideig tart, tulajdonképpen egy mini hidrogénbomba robbanás történik.

A 2022. december 5-i kísérlet helyszíne. Ebben a berendezésben több millió fokos hőmérséklet uralkodott a másodperc tört részéig. Fotó: Lawrence Livermore National Laboratory

A tavaly december 5-én elvégzett kísérlet azért jelent áttörést, mert először mértek nagyobb energiafelszabadítást a fúzió során, mint a hidrogént felmelegítő lézer energiája. Konkrétan a 2,05 MJ (megajoule) összenergiájú lézerek hatására 3,15 MJ fúziós energia szabadult fel. Ez az energia önmagában nem túl nagy. Egy 2 kW-os hajszárító kevesebb mint fél órát működne vele. Tehát hasznos energiatermeléshez ezt a folyamatot nagyon gyakran meg kéne ismételni, amihez egyelőre nem alkalmas a berendezés. Ugyanakkor energianyereség csak a lézersugarak energiájához viszonyítva van. Ha figyelembe vesszük a lézerberendezés működtetéséhez szükséges több mint százszor akkora energiát, még mindig sokkal több energiát fektettek be, mint amit nyertek. Távol állunk tehát még az ezen az úton történő kereskedelmi energiatermeléstől. A kutatóintézet vezetői néhány évtizedről beszélnek. Véleményem szerint a tokamak típusú berendezéssel közelebb állunk a kereskedelmi energiatermeléshez, mint az inerciális bezárás módszerével. Ennek ellenére a decemberi kísérlet eredménye nagy jelentőségű, és hozzájárul a magfúzió jelenségének részletesebb megismeréséhez.

Van az atomenergia-termelésnek egy minket közelről is érintő vonatkozása, ugyanis Romániában a világon először helyeznek üzembe amerikai fejlesztésű, kis méretű moduláris atomreaktorokat (NuScale Power). Van-e jelenleg olyan alternatív energiaforrás, amely tisztábbnak, fenntarthatóbbnak, biztonságosabbnak tűnik az atomenergiánál? Például a hidrogén és a zöld energiaforrások (szél, nap stb.)

Alternatív, megújuló energiaforrások természetesen vannak. Ezek közül a legfontosabbak a víz, a szél és a nap. Ezek közül a legelőnyösebb felhasználni a vízi energiát. A völgyzáró gátak mögött felgyűlt vizet akkor engedik rá a turbinákra, amikor szükség van az elektromos áramra. Problematikusabbak a szélerőművek és a napelemek, mert ezek működése időjárásfüggő, nem mindig működnek. Egy ország energiaellátását nem lehet csak ezekre bízni, szükség van más típusú, állandóan termelő vagy könnyen bekapcsolható erőművekre is.

Szerencsés földrajzi adottságokkal rendelkező országok megtehetik, hogy energiájukat szinte 100 százalékban vízenergiával termeljék meg, ilyen pl. Norvégia és Albánia. Ahol ez nem lehetséges, ott hasznosak a szélerőművek és a napelemek, de nem elegendők. Európa két nagy országa ilyen szempontból más politikát folytat. Franciaországban a villamos energia 70 százalékát atomerőművekkel termelik meg, ez egy biztos alap, amit ki lehet egészíteni a megújuló energiaforrásokkal. Németország politikai döntés következtében bezárja az atomerőműveit, és az utóbbi évtizedben lényegesen fejlesztette a megújulókon alapuló energiatermelését. De ha nem fúj a szél, nem süt a nap, valami másra is szükség van, és itt elsősorban a gázzal működő hőerőművekre alapozott. Ez pedig szén-dioxid kibocsátással jár, ami hozzájárul a globális felmelegedéshez. Nem is beszélve arról, hogy az Oroszország által indított háború miatt a gázellátás bizonytalan, és ezért Németorszég újraindította a legerősebben szennyező szénnel működő hőerőműveket.

Ennél az atomenergia sokkal környezetkímélőbb.

Románia jelenlegi energiamixében 19 százalékot tesz ki az atomenergia, 44 százalékot a megújulók (elsősorban víz, szél) és 37 százalékot a szén és gáz alapon működő hőerőművek. Mindenképpen előnyös lenne növelni a szén és gáz kiváltására az atomenergia részesedését, akár a cernavodai atomerőmű bővítésével, akár a moduláris atomreaktorok telepítésével. Az elsőnek az az előnye, hogy természetes urániummal működik, és az üzemanyagot Romániában is le tudják gyártani. A moduláris atomreaktorokat sokkal egyszerűbb felállítani, de csak dúsított urániummal működnek. Urániumdúsításra csak néhány ország képes, ezért ezekhez az üzemanyagot importálni kell.

Magyarország jelenlegi energiamixe 45% atomenergia, 19% megújuló és 36% fosszilis energiahordozó. Lehet ott is bővíteni az atomerőmű kapacitását, de bőven lenne hely a megújuló energiaforrások nagyobb mértékű felhasználásának.

A kérdésben szereplő hidrogén nem tekinthető energiaforrásnak, mert elemi állapotban nem található meg a természetben, elő kell állítani más vegyületekből. Manapság a felhasznált hidrogén több mint 95százalékát metánból állítják elő, ami környezetvédelmi szempontból nem előnyös, mert szén-dioxid keletkezik. Másik lehetőség vízből, elektrolízis segítségével hidrogént termelni. Ehhez azonban annyi energiát kell befektetnünk, amennyit a hidrogén elégetésével majd nyerünk. Ezért a hidrogén nem energiaforrásnak, hanem a más úton megtermelt energia tárolási lehetőségének tekinthető. Elképzelhető a szélerőművek, napelemek által megtermelt energia hidrogén formájában való tárolása, de ez a módszer jelenleg még nem kifizetődő.

Tudjuk, hogy ma mindaz, amit nagyon általánosan fizikának szokás nevezni, igencsak szerteágazó és egymástól különböző tudományterületekből áll. Melyek ma ezeknek a területeknek a legfontosabb kutatási témái, hol vannak a legforróbb pontok, honnan várják a legfontosabb eredményeket?

Erre kérdésre adott válaszként egy könyvet lehetne írni. A fizikai kutatások nagyon szerteágazók, és olyan témákkal is foglalkoznak, amelyek hagyományosan más tudományterületekhez tartoztak. A legfontosabb témák kiválasztásához az én szubjektív válogatásom helyett nézzük meg, hogy az utóbbi években milyen kutatási eredményekért adtak fizikai Nobel-díjat. Ezek egy része olyan, aminek közvetlen gyakorlati haszna van, más része pedig egyelőre a csak világról alkotott képünket alakítja (nem zárva ki azonban itt sem a jövőbeli gyakorlati felhasználást).

2014-ben a kék fényt kibocsátó dióda felfedezéséért kapta a Nobel-díjat három japán tudós, amely lehetővé tette a ma általánosan használt energiatakarékos LED világítótestek gyártását. 2018-ban olyan lézerfizikai eredményekért adtak Nobel-díjat, amelyeknek szintén sok gyakorlati felhasználásuk van az orvostudománytól kezdve a kémiáig. 2021-ben a komplex rendszerek kutatásáért járt a díj, többek között az időjárás-modellek kidolgozásáért, a globális felmelegedés megjósolásáért.

Több Nobel-díj járt az utóbbi években csillagászati, kozmológiai kutatásokért. Ilyen volt a Világegyetem gyorsuló tágulásának felfedezése, a fekete lyukak elmélete és megfigyelése, a gravitációs hullámok kísérleti kimutatása, a más csillagok körül keringő bolygók megfigyelése stb. Az elemirész-fizikában elért eredményeket is értékelték, pl. a Higgs-bozon kísérleti kimutatását és a neutrínó oszcilláció megfigyelését. Elméleti és gyakorlati jelentőséggel bír az a kvantummechanikai kutatás, amiért a tavaly ítélték oda a Nobel-díjat. A három tudós egyrészt hozzájárult a kvantummechanika alapjainak a tisztázásához, de másrészt lefektették az alapjait a kvantum információ tudományának, amitől a számítógépek új generációját és a telekommunikáció biztonságosabbá tételét várják.

Sok tennivaló van tehát mind az alapkutatásban mind az alkalmazott kutatásban.

Minden kutatócsoportnak a saját témája a legforróbb pont. Fontos eredmények várhatók a komplex rendszerek tanulmányozásában (beleértve a biológiai, társadalmi rendszereket is), az anyagtudományban, a kozmológiában, elemirész-fizikában, kvantumszámítógépek területén, plazma- és magfizikában (magfúzió) stb.

Egyáltalán lehetségesek-e még nagy felfedezések a fizikában? Folynak-e még alapkutatások, határkutatások, lehetségesek-e még nagy áttörések? Ott van például a tizen-huszon dimenzióval dolgozó húrelmélet, amelyről Michio Kaku elméleti fizikus azt szokta mondani, hogy megoldása túlmutat az ember jelenlegi értelmi szintjén. Vagyis látjuk, hogy van valami nagy dolog, amit meg kellene ragadnunk, de képtelenek vagyunk rá, mert nem elég fejlett az agyunk, mondja ő.

Erre a kérdésre nagyrészt már válaszoltam. Nagyon sok ismeretlen vagy megmagyarázatlan jelenség van még a világunkban az univerzum gyorsuló tágulását okozó sötét energiától kezdve a titokzatos neutrínók tömegéig, vagy akár a kérdésben érintett egységes elméletéig a kölcsönhatásoknak, amire a húrelmélet az egyik próbálkozás. Ugyanakkor a gyakorlati felhasználások területén is várhatók áttörések pl. a kvantumszámítógépek, attoszekundumos lézerek, ellenőrzött magfúzió, nanotechnológia esetében.

Az előbbi kérdéshez kapcsolódik, hogy egyáltalán megérthetők-e ezek a bonyolult fizikai kutatások, elméletek és témák a laikus ember számára? Van-e értelme még a tudomány-népszerűsítésnek?

Ezelőtt 120-130 évvel egy fizikus megértette az egész fizikát. Azóta annyi tudás halmozódott fel, és egyes elméletek annyira komplexek, hogy egy fizikus csak a saját szűk szakterületét érti igazán, a többiről csak általános fogalma van. Egy laikus ember is nyilván csak nagy vonalakban, felületesen értheti meg a bonyolult elméleteket és a komplex kísérleteket. De ennek ellenére természetesen nagyon fontos a tudomány népszerűsítése, egyrészt azért, mert érdekes (bizonyíték erre a tudomány-népszerűsítő csatornák, tv-sorozatok, könyvek népszerűsége), másrészt mert ezek az ismeretek bővítik az emberek látókörét, megmutatják a helyüket a világban. Mi, a Fizika kar oktatói is nagyon fontosnak tartjuk a népszerűsítést, rendszeresen tartunk online előadásokat középiskolásoknak, de fizika tábort is szervezünk nekik és tanáraiknak is. Ezen kívül, amint látja, szívesen válaszolunk az újságírók kérdéseire is.

Milyen fizikusi munka folyik a BBTE-n, melyek a kutatási területek? Itt biztos nem állnak rendelkezésre több száz millió dolláros kutatási alapok, nagy laboratóriumok, mint máshol. Leegyszerűsítve: lehet-e még fizikát művelni pusztán papírral és ceruzával?

Pusztán papírral és ceruzával már nem lehet fizikát művelni, még az elméleti kutatásokhoz is nagy teljesítményű számítógépek szükségesek. Több száz millió dolláros kísérleti berendezések csak kevés helyen vannak, de néhány százezer vagy millió dolláros eszközök nálunk is rendelkezésre állnak. A kutatási pénz természetesen sohasem elég, és elég rapszodikus a hozzáférés lehetősége, de azért így is világszintű kutatások folynak a BBTE fizika karán.

Először a magyar tagozaton dolgozó kollégák témáit említeném. Nagyon szép eredmények születtek Néda Zoltán professzor vezetésével a komplex rendszerek fizikájának a területén. A statisztikus fizikai modelleket nagy sikerrel alkalmazták különböző fizikai, biológiai, társadalmi és gazdasági folyamatok leírására. Más kollégáim a hálózatkutatásban értek el kimagasló eredményeket, amelyeket többek között az agy szerkezetének tanulmányozásánál alkalmaztak. A statisztikus elemzés módszerét orvosi adatok feldolgozására is használják. Más oktatóink robotikával és elektronikus eszközök fejlesztésével, programozásával foglalkoznak. Jómagam két kollégámmal együtt az elméleti atomfizika területén kutatunk, elsősorban a lézer-anyag kölcsönhatást és ion-atom ütközéseket vizsgálva.

A román tagozatos kollégák további érdekes témákkal foglalkoznak. Kiemelném az orvosi fizika területén végezett kutatásokat, ahol különböző spektroszkópiai módszerekkel vizsgálják az orvosi szempontból fontos anyagokat. Fontosak az anyagtudományi kutatások, ahol többek között röntgen-spektroszkópia és mágneses rezonancia módszereket használnak. Kimagasló eredmények születtek a nanostruktúrák előállításában és vizsgálatában. Kisebb csoportok még magfizikával, molekuláris dinamikával stb. kapcsolatos kutatásokat végeznek.

Van-e érdeklődés a fizikai tanulmányok iránt a BBTE-n? Van-e elegendő diák és Önöknek az egyetemen van-e információjuk arról, hogy miként mennek tovább, hogyan hasznosítják a fizikusi diplomájukat?

Sajnos az érdeklődés nem akkora, amilyet szeretnénk és amilyet a tudományterület társadalmi fontossága indokolna. Magyar tagozatra évente 8-15 diákot veszünk fel, a román tagozaton 40-60 diák kezdi meg az első évet. Ez a diáklétszám sajnos nem fedezi a munkaerő-szükségletet ezen a területen. A végzettjeink egy részére szinte „lecsapnak” egyes kolozsvári vállalatok (többükkel együttműködési szerződésünk van), mások inkább szülővárosuk közelében helyezkednek el. Mivel jelentős számítógép-programozási tudást is szereznek diákjaink a Fizika kar szakjain, többen az IT-szektorban találnak munkát. Sokan folytatják tanulmányaikat mesteri és doktori szinten, ezek nálunk, vagy külföldön kutatóintézetekben, egyetemeken kapnak állást. Sajnos kevés végzettünk szeretne tanárként elhelyezkedni, pedig nagy már a fizikatanár-hiány az országban, és a következő években a nyugdíjazások miatt még nagyobb lesz.

Igen, követjük a végzettjeink pályáját, és büszkék vagyunk arra, hogy itthon is, de a világ vezető egyetemein és kutatóintézeteiben is megállják helyüket.