Zöld hidrogén és olcsó nehézvíz?
(2026 február)
A világ legbiztonságosabb atomreaktora (https://www.origo.hu/tudomany/2026/02/candu-reaktor-kanada-atomeromu-uran) már 1945-ben megépült, kanadai kutatók építették, az urán dűsítása nélkül, az országnak nem volt lehetősége az urán dúsítására. A korai kanadai kísérlet bebizonyította, hogy a nehézvíz és a dúsítatatlan, természetes urán működőképes. Az elvre épült a híres CANDU reaktor. Az építési költségek, az amerikai versenytársak piaci erőfölénye miatt a mérnöki csoda végül alulmaradt a globális versenyben. Ha napelemekkel állítunk elő sok hidrogént, akkor melléktermékként sok és olcsó nehézvíz keletkezik.
A történet egy ipari, dúsítási problémával indult, amely életre hívta a CANDU reaktor még korántsem elavult reaktor koncepcióját, mert a második világháború után Kanadának hatalmas uránkészletei voltak, de az országnak nem állt rendelkezésére a technológia az urán dúsításához.
CANDU reaktor Kínában. Fotó: Atomic Energy of Canada Limited
A természetben bányászott uránnak csupán elenyésző része (0,72%-a) a 235-ös izotóp, amely képes fenntartani a láncreakciót. A hagyományos reaktorokban, ahol sima vizet használnak a neutronok lassítására (moderátornak), a 0,72%-os koncentráció kevés, mert a sima víz túl sok neutront von el a rendszerből, ezért az urán üzemanyagot dúsítani kell, ami drága és energiaigényes folyamat.
A kanadai mérnökök találtak egy megoldást, a nehézvizet, ami a hidrogén egyik nehezebb izotópját, deutériumot tartalmazza, 10%-kal sűrűbb a hétköznapi víznél, és van egy előnye: alig nyel el neutront. Tehát nehézvizet használtak moderátornak, és a reaktor képes a legolcsóbb, teljesen természetes uránnal is működni, a drága dúsítási eljárás nélkül.
A CANDU reaktor másik különlegessége a felépítése. Kanada akkoriban nem tudott akkora nyomástartó edényeket gyártani, mint az USA, a mérnökök egy nyomás nélküli tartályt terveztek, amelyet vízszintes csövek szelnek át, és ezekben a csövekbe helyezték az üzemanyagot. A kialakítás tette lehetővé a működés közbeni üzemanyagcserét. Míg egy hagyományos nyomottvizes reaktort hetekre vagy hónapokra le kell állítani, hogy kicseréljék a fűtőelemeket, a CANDU reaktor esetében robotkarok végzik el a cserét anélkül, hogy az áramtermelés egy pillanatra is megszakadna, ami gazdaságos működést tett lehetővé, hiszen az erőmű folyamatosan termelhet energiát. A rendszer pedig "mindenevő": a természetes urán mellett képes elégetni más reaktorokból szárnazó kiégett fűtőelemeket, sőt a tóriumot és a fegyverekből származó plutóniumot is.
Ma már a legfontosabb, hogy CANDU a legbiztonságosabb reaktor típus. A rendszer tele van passzív biztonsági megoldásokkal. Ha a hűtőcsövek túlhevülnek, a gravitáció teszi a dolgát: a csövek egyszerűen megereszkednek, elhajlanak, ezzel megszakad a láncreakcióhoz szükséges geometria, és a reaktor leáll. Ellentétben a csernobili típussal: ha a hűtővíz forrni kezd, a reakció nem gyorsul fel, hanem stabil marad. Vészhelyzetben a reaktortartályt elárasztható tiszta vízzel, mert a CANDU reaktor csak nehézvízzel képes működni, a sima víz azonnal "megfojtja" a láncreakciót.
Bár a CANDU reaktor üzemeltetése olcsó, a nehézvíz előállítása drága volt a napjainkig, és a reaktor mérete is nagyobb, mint a versenytársaké, de az utóbbi szempont ma már nem számottevő. A politikusok négyéves ciklusokban gondolkodnak: az alacsonyabb építési költségű amerikai reaktorok vonzóbbak voltak. Végül a CANDU reaktor sorsát az pecsételte meg, hogy az amerikai könnyűvizes technológia vált az ipari szabvánnyá, és a kanadai "csodafegyver" lassan kiszorult a versenyből. Ma már csak néhány tucat üzemel belőle világszerte, emlékeztetve arra, hogy nem mindig a legjobb mérnöki megoldás nyeri a versenyt.
A nehézvíz deutérium-oxid, világszerte megtalálható a természetben, de ipari mennyiségben csak néhány ország állította elő. Minden természetes víz tartalmaz nehézvizet alacsony koncentrációban. Átlagosan 6400 hidrogénatomból 1 a deutérium, ami azt jelenti, hogy kb. minden 3200-adik vízmolekula tartalmaz egy deutériumot.
Ipari termelést tekintve India jelenleg a világ legnagyobb előállítója és exportőre. Számos üzemet működtetnek (pl. Baroda, Tuticorin, Kota, Manuguru), és több technológiát is alkalmaznak. Kanada volt történelmileg a legnagyobb gyártó, a CANDU reaktorok miatt. Ma már főként a meglévő készletekből exportálnak, de továbbra is meghatározó szereplő. Románia, Irán, Kína, Oroszország, Argentína és Pakisztán szintén rendelkezik termelőkapacitással, vagy jelentős készletekkel.
A globális nehézvíz éves termelés körülbelül 1400–1500 tonna évente. Kereskedelmi forgalma: a nehézvíz globális piaca 2024-ben mintegy 1,26 milliárd dollárra becsülhető, és folyamatosan nő az orvosi és nukleáris igények miatt. Elsősorban atomreaktorokban (moderátorként és hűtőközegként) használják, de fontos szerepe van a gyógyszerkutatásban, a félvezetőgyártásban és az NMR-spektroszkópiában is. Kanada és India esetében az átlagos tonnánkénti ár 450 000 – 630 000 USD között mozgott az elmúlt években, ami kilónként nagyjából 450–630 dollár-nak felel meg. A "reaktor-minőségű" (kb. 99,75%) víz olcsóbb, mint a tudományos kísérletekhez szükséges 99,99%-os és stratégiai terméknek minősül, ezért a kereskedelmét szigorúan ellenőrzik.
Érdekesség: Bár a nehézvíz drága, az atomenergiában való alkalmazása lehetővé teszi a természetes (nem dúsított) urán használatát, ami jelentős költségmegtakarítást jelent az üzemanyagoldalon. A nehézvíz előállítása azért költséges, mert a természetes vízben a deutérium koncentrációja elenyésző, így hatalmas mennyiségű alapanyagot kell feldolgozni a kinyeréséhez.
Az ipari termelésben alkalmazott főbb eljárások:
1. Szulfidos eljárás a legelterjedtebb ipari módszer, amelyet többek között India és Románia is alkalmaz. Két különböző hőmérsékletű (egy hideg 30 °C-os és egy forró 130 °C-os) toronyban víz és kénhidrogén-gáz áramlik egymással szemben. A deutérium-atomok a hőmérséklettől függően vándorolnak a gáz és a víz között. A hideg toronyban a deutérium a gázból a vízbe, a forróban pedig a vízből a gázba kerül, így a rendszer közepén bedúsul a nehézvíz. Hátránya, hogy a kénhidrogén gáz mérgező és korrozív, a folyamat pedig nagy mennyiségű gőzt és energiát igényel.
2. Elektrolízises módszer, ez volt az első módszer a nehézvíz kinyerésére, ma a végső tisztítási fázisban használják. A víz elektromos bontásakor a könnyű hidrogén gyorsabban szabadul fel gázként, mint a deutérium. Bár nagyon tiszta végterméket ad, önmagában (alapanyag-feldolgozásra) gazdaságtalanul magas az áramigénye, de a hidrogénnel együtt az előállítása gazdaságos!
Olcsó zöld hidrogén és olcsó zöld nehézvíz: a zöld hidrogén (megújuló energiával végzett vízelektrolízis) ára jelenleg 3,5–8 USD/kg között mozog, de a technológiai fejlődés és a méretgazdaságosság miatt a költség gyorsan csökken. A kedvező adottságú helyeken (pl. Közel-Kelet, Ausztrália) már 2026-ra 1,8–2 USD/kg körüli előállítási költséget jósolnak. Európában egyes időszakokban már most is olcsóbb a zöld hidrogén, mint a földgáz alapú társai a magas szén-dioxid-kvótaárak miatt. Magyarországon a MOL fejleszti a zöld hidrogén infrastruktúrát, de a földgázból nyert (szürke), esetleg a nukleáris energiával előállított hidrogén versenyképes marad.
Zöld nehézvíz (D₂O) kifejezés olyan nehézvízre utal, amelyet zöld hidrogén előállítása során, megújuló energia felhasználásával állítanak elő. A zöld hidrogén gyártásakor hatalmas mennyiségű vizet bontanak el, a maradék elektrolitban a deutérium (nehézhidrogén) természetes módon feldúsul. Amennyiben a zöld hidrogén üzemek mellé nehézvíz-leválasztó egységeket telepítenek, a nehézvíz előállítása olcsóvá válik, mert az energiaigényes vízbontás költségét a hidrogéntermelés fedezi. A nehézvíz kitikus lesz a következő generációs moduláris atomreaktorok (SMR) és a fúziós kísérletek számára is, a legelterjedtebb kis kategóriájú nehézvizes reaktorok 220 MW (villamos) teljesítményűek, melyeket az adatközpontok használnak.
3. Ammónia-hidrogén izotópcsere eljárást gyakran műtrágyagyárak mellé telepítik. Folyékony ammónia és szintézisgáz (hidrogén és nitrogén keveréke) közötti kémiai cserebomláson alapul.Előnye, hogy kevésbé környezetszennyező, mint a kénhidrogénes eljárás.
4. Ismételt desztillációnál a víz és a nehézvíz forráspontja közötti csekély különbséget (100 °C vs. 101,4 °C) használják ki. Dúsításhoz nagy frakcionáló oszlopokra és sok energiára van szükség, mivel a szétválasztási tényező nagyon alacsony. Egyetlen kilogramm reaktor-tisztaságú nehézvíz előállításához több tízezer liter természetes vizet kell megmozgatni és kezelni.
*
A ma épített reakrorok kb. 20% -a már nehézvizes reaktor, a technológia jelenleg elsősorban Indiában és Kínában használatos, mert lehetővé teszi a dúsítatlan (természetes) urán üzemanyagként való felhasználását. India nukleáris stratégiájának gerincét a nehézvizes reaktorok adják. Jelenleg is több 700 MW-os indiai tervezésű egység áll építés alatt (például Radzsasztánban), és a kormány 2026 eleji tervei szerint további 10 darabos rendelést készítenek elő, és a hazai gyártású típusból. Kína is üzemeltet és fejleszt nehézvizes technológiát (pl. Qinshan), legújabban pedig olyan hibrid megoldásokon dolgozik, ahol a reaktorokat ipari gőztermelésre is használják. Kanadában jelenleg a meglévő CANDU-reaktorok élettartam-hosszabbítása zajlik, az ország továbbra is aktívan marketingeli az új generációs nehézvizes technológiát (pl. EC6 modell). Számos országban, például Argentínában is folynak fejlesztések nehézvizes moderálású kísérleti vagy kisebb teljesítményű egységekkel. A nehézvizes reaktorok fő előnye, hogy dúsítási költségek nélkül használjanak uránt, illetve rugalmasabb üzemanyag-ciklusokat (pl. tórium felhasználása) alkalmazzanak.
A Paks II. projekthez több okból nem nehézvizes reaktort, hanem az orosz VVER-1200 típusú könnyűvizes technológiát választották. A döntés hátterében infrastrukturális és gazdaságossági szempontok álltak, a jelenleg is üzemelő Paksi Atomerőmű már most is orosz (VVER-440) könnyűvizes reaktorokat használ. A magyar szakemberek több évtizedes üzemeltetési és karbantartási tapasztalattal rendelkeznek a technológiával, és az ország meglévő kiszolgáló infrastruktúrája is ehhez illeszkedik.
A technológiai elemzések szerint a könnyűvizes reaktorok kevesebb kiégett kazettát termelnek a nehézvizes típusokhoz viszonyítva, ami megkönnyíti a hulladékkezelést. A VVER-1200 blokknak vannak működő referenciái (pl. a Leningrádi Atomerőműben), olyan passzív biztonsági rendszerekkel rendelkezik (pl. olvadékcsapda), amelyek a legszigorúbb nemzetközi előírásoknak is megfelelnek. A projekt részeként Oroszország jelentős, 10 milliárd eurós hitelkeretet is biztosított a beruházáshoz, ami a technológiai döntéssel szoros egységben lévő kormányközi megállapodás része volt.
A technológiai elemzések szerint a könnyűvizes reaktorok kevesebb kiégett kazettát termelnek a nehézvizes típusokhoz viszonyítva, ami megkönnyíti a hulladékkezelést. A VVER-1200 blokknak vannak működő referenciái (pl. a Leningrádi Atomerőműben), olyan passzív biztonsági rendszerekkel rendelkezik (pl. olvadékcsapda), amelyek a legszigorúbb nemzetközi előírásoknak is megfelelnek. A projekt részeként Oroszország jelentős, 10 milliárd eurós hitelkeretet is biztosított a beruházáshoz, ami a technológiai döntéssel szoros egységben lévő kormányközi megállapodás része volt.