Csillagot hoznak létre 2010-ben a Földön

Az utolsó optikai elem is helyére került az amerikai Lawrence Livermore laboratóriumban épülő "nemzeti robbantó eszközben", a NIF-ben (National Ignition Facility). Az 1997-ben indult program jelentős költségtúllépések után most készen áll hármas feladatára: az energiatermelő termonukleáris fúzió megvalósítására, az atomfegyverek ellenőrzésére és asztrofizikai kutatásokra.

A NIF egy hatalmas kísérleti rendszer. Körülbelül két futballpályányi csarnokban épült, 250x150 méteren, több emelet magasságban. A teret főként a lézerrendszerek töltik ki: a kísérletek során 192 lézernyalábot irányítanak egy parányi céltárgyra. A 192 pályán számos erősítőegység és sok-sok egyéb optikai elem közbeiktatásával vezetik a nyalábokat, míg azok elérik a célt, egy 2 milliméter átmérőjű parányi gömböt. A cél az, hogy a gömbben atommagok fúzióját (egyesülését) hozzák létre - azt a folyamatot, amely a csillagok, így a Nap belsejében is lejátszódik, és amely a jövő olcsó és tiszta energiaforrása lehet.

Ennek megvalósításához a másodperc törtrésze, néhány pikoszekundum (10^-12 s) alatt 500 terawatt (terawatt = 10¹² watt) teljesítménnyel sugározzák be a céltárgyat, amelynek fala lefagyasztva (18 kelvinre lehűtve), míg üreges belseje gáz halmazállapotban tartalmazza a hidrogén két nehézizotópjának, a deutériumnak és a tríciumnak néhány milligrammnyi keverékét. Megfelelően magas hőmérséklet és nagy nyomás mellett a két izotóp atommagjai között végbemegy a jelentős energia felszabadulással járó termonukleáris magreakció. A fúzió hőmérséklet- és nyomásfeltételeit hozzák létre a lézernyalábokkal.

Évente "csak" 700 kísérletet terveznek, a lézerrendszereknek ugyanis minden kisütés után le kell hűlniük, erre "lövésenként" 5 órát szánnak. Eredetileg 1,2 milliárd dollárra becsülték az építési költségeket, ez mára 3,5 milliárdra nőtt.

Lézererősítés

A sok fényút egységes kezelhetősége érdekében az eredeti lézerimpulzust egyetlen, mester (fő) oszcillátornak nevezett egység szolgáltatja, amely kis teljesítményen, 1013 nanométeres hullámhosszon világít az infravörös tartományban. Többféle erősítőn áthaladva az eredetileg nanojoule energiájú fénynyalábot minden ágban 6 joule-osra erősítik fel. Ezután 7680 xenon villanólámpa bevetésével összesen 400 megajoule energiát juttatnak a rendszerbe; a plusz energia akkor lép be, amikor a lézerfény hullámfrontja eléri az erősítőket. A nyalábokon még egy jelentős változtatást hajtanak végre, mielőtt a céltárgyra irányítanák őket: megváltoztatják a hullámhosszat. Az infravörös fényt 351 nanométeres hullámhosszú ultraibolya fénnyé alakítják át, úgynevezett frekvenciakonverterekkel. A konverterek kálium-dihidrogén-foszfát egykristályok. (Az infravörös fény csak nagyobb veszteséggel tudná átadni energiáját a gömböcske falának, ezért konvertálják.)

Termonukleáris fúziós reakció

A lézernyaláb hatására a gömböcske fala plazmaállapotba kerül, és lerobban a felületről. Newton harmadik törvényének megfelelően az ellenerő ugyanakkor nagy sűrűségűre nyomja össze a maradék anyagot. A külső réteg lerobbanása lökéshullámot indít el befelé, ez is fokozza a nyomást a gömb belsejében. Sok múlik azon is, hogy milyen anyagból készül a fal. Korábban műanyag megoldásokat próbáltak, az újabb változatban a műanyag berillium vagy berillium-réz ötvözet bevonatot kap. A kellő feltételek teljesülése esetén a gömböcske közepén beindul a termonukleáris fúziós reakció. A felszabaduló energia a külső rétegekben is megteremti a fúzió feltételeit.

A kísérletek céljai

A kutatók reményei szerint először 2010-ben hozhatnak létre a gömböcskében termonukleáris reakciót. A szabályozott termonukleáris energiatermelés ipari megvalósításához ma közelebb állnak a plazmát mágneses térrel összetartó megoldások. Franciaországban például széles körű nemzetközi összefogással épül az ITER termonukleáris kísérleti reaktor.

A NIF-program jóváhagyásakor az ígéretes energiatermelési mód kidolgozása csak az egyik, talán nem is a legfontosabb szempont volt. A berendezés megépítését az atomfegyverek fejlesztésével foglalkozó szakemberek nélkülözhetetlennek tartották az amerikai nukleáris fegyverek megbízhatóságának fenntartásához. A fegyverkísérleteket nemzetközi egyezmények tiltják, ezért csak a korábbi robbantások adataira és számítógépes szimulációra hagyatkozhatnak. Ehhez a számítógépes szimulációhoz reméltek újabb és újabb adatokat a lézeres mikrorobbantásoktól.

A Naptól a földi napig: látványos animációkkal tarkított film a termonukleáris fúzió működéséről és ennek földi lézeres megvalósítási kísérletéről. A film második felében bepillanthatunk a NIF-ben folyó kutatásokba

A program az alapkutató fizikusokat is érdekli, hiszen a kísérletek során olyan nyomás- és hőmérsékletviszonyok között tanulmányozhatnák az anyagot, mint sehol máshol földi körülmények között. A hőmérséklet pillanatokra eléri a 100 millió fokot, a nyomás ezerszer nagyobb, mint a Föld magjában. A NIF adatai alapján szeretnének választ kapni például arra, hogy egy öreg, haldokló csillag hogyan jut el a szupernóva-robbanáshoz.