A Nap és a csillagok energiáját hozhatja a Földre a jövő atomerőműve
A Nap és a csillagok energiáját hozhatja a Földre a jövő atomerőműve

Az atomenergia megítélése rendkívül vitatott, de a klímaváltozás sürgető kihívása miatt minden technológia alkalmazhatósága mérlegelendő. A legígéretesebb technológia új korszakot nyithat, de éppen abból kell hozzá a legtöbb, ami klímaszempontból alig van: időből.

A ma működő atomerőművek mindegyike a maghasadást használja energiaforrásként. A leginkább elterjedt típusok közé tartoznak a könnyűvizes reaktorok, mint amilyen a Paksi Atomerőmű is. Ezekben az úgynevezett moderátor és a hűtőközeg is könnyűvíz (H2O). (A moderátor lelassítja a maghasadásból származó gyors neutronokat, ami lehetővé teszi, hogy ezek részt vegyenek a láncreakcióban, és táplálják azt.) A könnyűvizes reaktorok két csoportba sorolhatók: megkülönböztetünk forralóvizes és nyomottvizes reaktorokat, amilyen a Paksi Atomerőmű is. A jelenleg üzemelő atomerőművek következő nagyobb csoportját a nehézvizes reaktorok alkotják, amelyeknél a moderátor és a hűtőközeg egyaránt nehézvíz (D2O). Léteznek továbbá úgynevezett grafitmoderátoros reaktorok is, amelyek között gáz- és könnyűvízhűtésű reaktorok is találhatók. Végül a világ jelenlegi atomerőművi kapacitásának nem egészen 1 százalákát adják a gyors tenyésztőreaktorok, amelyek – más kísérleti berendezésekkel együtt – az egzotikus reaktorok csoportját képviselik.

A Paksi Atomerőműben négy darab nyomottvizes reaktorblokk működik. A reaktorok önmagukban is méretesek – magasságuk egyenként 23,5 méter, tömegük 472 tonna –, de az energiatermeléshez és -átalakításhoz további hatalmas infrastruktúra épül köréjük. Egy urán-dioxiddal üzemelő reaktor 50 méter magas, 111 méter széles épületet igényel. A maghasadás során felszabaduló energia hő formájában jelentkezik, majd az ezzel fejlesztett gőzzel turbinákat hajtanak meg. Ezek, illetve a generátorok áramot termelnek, amely kapcsolóberendezéseken és transzformátorokon át kerül az országos hálózatba. A reaktorok eredeti névleges villamos teljesítménye 440 MW volt, amit mára fejlesztésekkel 500 MW-ra növeltek. Így az atomerőmű elektromos összteljesítménye 2000 MW, hőteljesítménye 1485 MW.

atomenergia
Az épülő Paks II. reaktor
Fotó: Origo.hu Hárfás Zsolt

Óriásira nőttek a reaktorok

Az 1980-as években épült Paksi Atomerőmű reaktorai messze nem tartoznak a világ legnagyobbjai közé. Az iparág 1950-es évekbeli megszületésekor a reaktorméret még 60 MW volt. Az elmúlt évtizedekben a fejlesztések célkitűzése már 1400–1750 MW teljesítményű reaktorok létrehozása volt. A gigászi berendezések telepítésének óriási az idő-, a munkaerő- és a pénzigénye. Esetleges – akár tervezett, akár nem tervezett karbantartásuk miatti – szüneteltetésük ráadásul óhatatlanul az országos termelés visszaesését vonja maga után. A decentralizáció felé mozduló villamosenergia-ellátás újfajta megközelítést kíván. Ma az újgenerációs reaktorok egyik fejlesztési irányát a nagyobb rugalmasságot kínáló mini vagy kisméretű reaktorok (SMR) jelentik. Ezeknek a Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) szerint több helyzetben is nagy hasznát vehetjük: az elszigetelt közösségek ellátásában, a nagy megújuló-részarányú villamosenergia-rendszerekben, illetve – szükség esetén – a 300–600 MW-os fosszilis erőművek pótlásában is.

atomenergia
SMR
Az Akagyemik Lomonoszov a világ első úszó atomerőműve, amely kereskedelmi célokat szolgál.
Forrás: rosatom.ru

Az SMR-ek szintén a maghasadást használják energiatermeléshez, méretük és teljesítményük azonban töredéke a hagyományos reaktorokénak. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (IAEA) a 300 MW-nál kisebb teljesítményű reaktorokat sorolja az SMR-kategóriába, amelybe külön típusként tartoznak a mini reaktorok 15 MW-nál is kisebb teljesítménnyel. Az IAEA 2020-as jelentése 72 SMR 18 országban zajló fejlesztési munkálatairól számolt be. A telepítések várhatóan a következő évtizedben pörögnek fel igazán, de Oroszországban – pontosabban az ország felségvizein – már működik két 35 MW villamos teljesítményű reaktor az Akagyemik Lomonoszov úszó atomerőmű fedélzetén. A világ első kereskedelmi céllal üzembe helyezett SMR-ei 2019 decemberében kapcsolódtak rá a távoli Csukcsföld villamosenergia-hálózatára, hővel is ellátva a régiót. Ororszország – elsősorban más távoli területeinek ellátására – újabb szárazföldi SMR-projektet indított 2027-es céldátummal.

Ellenérvek az SMR-ekkel szemben

Az SMR-fejlesztésekben élen jár a célra akciótervet kidolgozó Kanada, az Egyesült Királyságban a Rolls-Royce vezetésével létrejött konzorcium, Kína, valamint Argentína is. A dél-amerikai ország 25 MW-os reaktorát teljes mértékben önerőből fejleszti. A cél Argentínában is az elzárt területek villamosenergia-ellátása, de a reaktornak az ivóvízszükséglet biztosításában is fontos szerepe lesz a tengervíz sótalanításának támogatásával. Kína szintén nagy reményeket fűz az ugyancsak saját fejlesztésű SMR-ekhez. Az ország első, 2012 óta fejlesztett demonstrációs célú projektje 2021-ben ér véget. Az Egyesült Államok nukleáris szabályozási hatósága (NRC) 2020 őszén hagyta jóvá az ország első 60 MW-os SMR-technológiájának a terveit. Ez – a gyártó NuScale szerint – képes lesz gazdaságosan részt venni a hidrogéntermelésben is.

atomenergia
SMR
A tervek szerint így fest az amerikai NuScales mini erőműve.
Fotó: NuScales

Az SMR-ek globális piaca a kanadai kormány várakozásai szerint 2040-ig elérheti az évi 300 milliárd dollárt is, de a technológiának továbbra is jelentős kihívásokkal kell szembenéznie. Az ellenérvek között szerepel, hogy kifejlesztésük túl sokáig tart a klímaváltozás elleni küdelem sürgetéséhez képest. Kritikaként hangzik el az is, hogy túl sok pénzt emésztenek fel és vonnak el a megújuló energiaforrásoktól. Ráadásul a kritikusok szerint arra sincs elég bizonyíték, hogy a kisebb reaktorok jelentősen biztonságosabbak lennének ma működő nagyobb társaiknál – véli többek között az Union of Concerned Scientists (UCS) nevű tengerentúli nonprofit szervezet a nem könnyűvizes új technológiákat értékelő jelentésében.

A reaktorok elmúlt évtizedekben tapasztalható növekedésének fő oka a méretgazdaságosság volt. Ma az innováció egyik fő törekvése olyan új üzemanyagok kifejlesztése, amelyek alacsonyabb költségek mellett magasabb teljesítményt biztosíthatnak. Ezzel együtt az atomenergia árát ma sem a változó üzemanyag- vagy fenntartási költségek növelik, hanem elsősorban a magas (beruházási) költségek.

Új korszakot nyithat

Ha a kis moduláris nukleáris reaktorokkal szemben objektív ellenérvként vetődhet fel a klímaváltozás elleni cselekvésre rendelkezésre álló idő rövidsége, akkor ez hatványozottan igaz a magfúziót alkalmazó erőművekre. A csillagokban, így a Napban is lejátszódó folyamatot rekonstruálni hivatott technológia leghamarabb 2050-ben állhat kereskedelmi üzembe. Tehát akkor, amikorra a világ szén-dioxid-kibocsátását közel nullára kellene csökkentenünk a katasztrofális mértékű klímaváltozás elkerüléséhez. Ha viszont ez az egyelőre alig elképzelhető kihívásokkal járó folyamat sikerrel jár, ez elhozhatja a korlátlan, szén-dioxid-kibocsátástól és radioaktív hulladéktól mentes energia korszakát.

Ma még nem léteznek olyan üzemképes reaktorok, amelyek energiaforrásként a magfúziót használják, ugyanakkor kisebb kísérleti berendezések már igen. A technológia fejlesztése a világ több pontján, így az Egyesült Királyságban, az Amerikai Egyesült Államokban, Dél-Koreában és Kínában is folyamatban van.

A világ első kísérleti fúziós erőműve a franciaországi Cadarache-ban magyar részvétellel épülő ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). A szakmai körökben az ember által valaha épített legbonyolultabb berendezésként emlegetett reaktor első terve 1985-ben vetődött fel. A megépítéséről szóló megállapodást pedig 2006 novemberében írta alá az Európai Atomenergia Közösség (Euratom), az Egyesült Államok, Oroszország, Japán, Kína, Dél-Korea és India. A reaktornak helyet adó építmény létesítését 2010-ben, magának a fúziós kísérleti berendezésnek az összeszerelését 2020 júliusában kezdték meg. Idén nyáron újabb mérföldkőhöz érkezhet a projekt, elkezdődhet a reaktor tesztelése. A működés a terv szerint 2025-ben indul az első hidrogénplazma létrehozásával, majd a reaktor 2035-ig fokozatosan éri el azt a készültségi állapotot, amelyben a deutérium-trícium fúziója elkezdődhet.

atomenergia
napfúzió
Az ITER futurisztikus reaktora.
Fotó: ITER

Cél a pozitív energiamérleg

A berendezésben több mint 100 millió °C-os hőmérsékletet kell létrehozni, ami mintegy hatszorosa a Nap magjában uralkodó hőmérsékletnek. Ilyen körülmények között a deutérium és a trícium plazma halmazállapotba kerül, amit csak az úgynevezett tokamak berendezés mágneses mezője képes megtartani, az atommagokról leválnak az elektronok, és beindul a fúzió. A reakció eredményeképpen hélium és óriási mennyiségű energia keletkezik.

Az erőművel – először a történelem során – pozitív energiamérleget kívánnak elérni. A terv szerint a reaktor az állapot létrehozásához bevitt energia tízszeresét, 500 MW fúziós energiát termel majd körülbelül 400 másodperces intervallumokban. Maga az ITER nem fog kereskedelmileg is hasznosítható villamos energiát előállítani. De a cél az, hogy a létrehozása és az üzemeltetése során szerzett tudással később meg tudják építeni az erre képes erőművet. Az első folyamatos vagy majdnem folyamatos működésre képes fúziós erőmű, a DEMO építése a 2030-as években, üzemeltetése pedig 2050 körül kezdődhet el. Azt remélik, hogy az évszázad második felében szélesebb körben is elterjedhet a technológia.

search icon