Fissziós és fúziós energia, nanofúzió

A nukleáris energia ipari hasznosí­tása energia- és áramtermelésre je­lenleg az atommag hasadásán, a fisszión alapul. Ennél is több energia rejlik a könnyű atommagok fúziója során ki­nyerhető energiában. Nagyjából 20 ton­na szénnel 1 kilogramm uráni­um s ezekkel 1 gramm fúziós üzemanyag egyenértékű. A fúzió laborató­riumi kutatása világszerte nagy figyelmet kap. A többletenergia kinyeré­séhez legközelebb eddig az amerikai NIF (National Ignition Facility; Nemzeti Begyújtó Üzem) jutott; ők 2023-ban már másfélszer annyi energiát nyer­tek a fúzió során, mint amennyi bejutott a céltárgyba.

A fúzió lézeres beindítása látszik jelenleg a járhatóbb útnak. Ezen az úton nem feltétlenül kötelező a magas hőmérséklet fenntartása egyensúlyban, a rövid idejű lézerimpulzusok ismétlésével a fúziós energia elvileg újra és újra kinyerhető. Miután a NIF egyetlen lövése közel százezer dollárba kerül, megmaradt az igény a fúzió techni­kai­lag egyszerűbb, kisebb méretű megvalósítása iránt. Ehhez a célhoz csatlakoznak a Nanoplazmonikus Lézeres Fúzió Kutatólaboratórium NKFIH által támogatott kutatásai is.

A Csillebércen és a szegedi ELI-ALPS-ban kivitelezett nanofúziós kí­sér­leteink célja a fúzió begyújtásához szükséges lézerimpulzus energiájának csökkentése, s ezzel az eljárás olcsóbbá és nagyobb beruházás nélkül is hozzáférhetővé tétele, nanotechnológiai effektusok felhasználásával. Kroó Nor­bert ötletén alapuló kutatásaink a plazmonikus hatás kihasználását cé­lozzák, amikor sok elektron kollek­tív mozgása a nanoméretű fémek fe­lü­le­tén a környező anyag protonjait a fú­ziós küszöb eléréséhez szükséges energiákra képes gyorsítani. Ezt különböző anyagú és alakú nanoantennák beépítésével érjük el, amelyek mérete az előre kiszámolt rezonáns abszorpcióra, lézerfény-energia elnyelésére hangolt. Ezt elérve tervezzük további lépések megtételét a lézerimpulzusok erősebb kihasználása irányában is: két- vagy háromoldalú belövésekkel nem­csak energia közölhető, hanem a fúzióra képes anyag össze is nyomható. Ennek egyensúlytól távoli, rövid idejű mechanizmusát Csernai László relativisztikus számolásai derítették fel.

Kutatási stratégiánkból követke­zik, hogy a legfontosabb mutató két eredmény lehet: 1. a megfelelően ma­gas energiájú ionok, főleg protonok, ki­mu­tatása; 2. a lehetséges fúziós folya­matok jellegzetes végtermékeinek a kimutatása. Mindkettőhöz több, kü­lönböző elméleti szimuláció, kísérleti, laboratóriumi elrendezésen történő megvalósítás s végül detektálási technika vethető be. Elméleti modellszá­mítások a nanofém adalékok tervezé­séhez éppúgy segítséget nyújtanak, mint az ionok energiaeloszlásának meg­­becsléséhez adott lézerintenzi­tás (egységnyi felületre beeső teljesít­mény) mellett. A nanofémek alakját és mére­tét is gondosan kell elkészíte­ni, sajnos a megvásárolható méretek komoly ingadozást mutatnak. A céltárgy hordozóanyagába való beépí­tés előtt ezért mikroszkópos ellenőrzésre is szükség van.

Új eredményeink

A fúzió megvalósításához kellően energikus ionok előállítására van szükség. Ezért az első lépés a lézeres impulzus által okozott hatások vizsgálata és annak kapcsolata az energiával. A befektetett energia lövésenként 1 és 25 millijoule (mJ) között változik a Wigner FK „Hydra” lézerén, hasonlóan 30 mJ körüli energiát közöl 1-1 lövés az ELI-ALPS „Sylos” lézerével. Ez utób­bin azonban nagyobb intenzitások érhetők el a lézernyaláb hatékonyabb fókuszálásával és az erősebb kontraszttal, azaz az energia-jel felfutás időbeli meredekségének sokkal erősebb voltával.

Biró Tamás Sándor (balra) és Kroó Norbert az ELI-ALPS „Sylos” berendezésénél végzett kísérletnél.

Fontos megtalálni azt a tartományt, ahol az általunk elképzelt mechanizmusok a legoptimálisabban működnek. Első menetben mikroszkóppal megmérjük a lézerbecsapódás által a célpolimerbe vájt krátereket. Ezek alakja, hossza és térfogata az anyagban felszabadult energiáról hordoz informá­ciót. A krátertérfogatok a lézerintenzitás függvényében jelentős különbséget mutatnak a megfelelő rezonáns méretű arany nanorudakkal adalékolt és az a nélküli céltárgyak között a Wigner FK „Hydra” lézerén – ez egy évvel korábbi eredményünk. En­nek alapján szerettük volna megtud­ni, hogy ez a trend vajon folytatódik-e nagyobb intenzitásokon, jobban koncentrált lézernyalábokat alkalmazva. Az ELI-ALPS „Sylos” berendezésén 2024-ben alkal­­­mazott mintegy 3000 belövés ki­ér­­té­kelése még folyamatban van, a mellé­kelt ábra az első eredményeket mutatja. A kék pontok a simán polimer céltárgyakban (targetek­ben) elért krá­terek térfogatát, a narancs­színű háromszögek az arany nano­antennák­kal fel­szerelt targetekben elért térfo­ga­to­kat jelzik. Minden jel egyszeri be­lövés eredménye. Látható az emelke­dő trend az intenzitással, azonban az esetről esetre jellemző el­térések növekedése is. Eddigi tapasz­talataink alapján az állapítható meg, hogy ez az effektus valószínűleg a 10¹⁷–10¹⁸ W/cm² tartományban a legerősebb.

Krátertérfogatok a lézerintenzitás függvényében a Wigner FK és az ELI-ALPS egy-egy lézerén.

Kutatásaink közben új tapasztala­tokat is szerzünk. Az elméleti szimu­lá­ciók ígéreteit még nem sikerült mara­déktalanul kísérleti tényekre váltanunk. Ugyanakkor újabb és újabb ötletek születnek, mind a nanoanten­nákat körülvevő anyagba juttatandó fúziós üzemanyag terén, mind a nano­részecs­kék alakjának és méretének variálása terén. Különösen érdekes tény, hogy vannak neutront nem termelő, aneutronikus fúziós reakciók. Ezek használata azzal kecsegtet, hogy a hagyományos reakciókra jellemző energetikus neutronok nem keletkez­nek a fúziós energia termelése so­rán, a többi részecske (alfa-, béta- és gam­ma-sugárzás) esetén pedig sokkal egyszerűbb a sugárvédelem, s a berendezés rongálódása is kevésbé intenzív. Mostani terveink a plazmonikus hatás jobb kihasználása, erősítése köré csoportosulnak. A vállalkozói felhasználásig még évek vagy akár évtizedek is eltelhetnek, mégis, a nemzetközi (amerikai, német) magántőke már ma is érdeklődik a fúziós energiatermelés új ötletei iránt.•

Címlapkép: HUN-REN Wigner FK