Úttörő lépés történt a jövő tiszta energiája felé

Először sikerült több energiát kinyerni egy magfúziós folyamatból, mint amennyit az üzemanyag felfűtésére használtak.

Az eredményről a Nature-ben számolt be az Amerikai Egyesült Államok Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumának kutatócsoportja. Az úttörő lépést az úgynevezett mikrorobbantásos magfúziós kísérletek során érték el.

Két alapvető módszer: mágneses összetartás és mikrorobbantás

Mint arról korábbi cikkünkben részletesen olvashattak, a jövő energiatermelésének nagy reménye a fúziós reaktor, amely a Naphoz hasonlóan termelné az energiát. Atommagok egyesülnének benne igen magas hőmérsékleten, és a folyamat során rengeteg energia termelődne. Alapanyag lenne bőven, szén-dioxid-kibocsátás nulla, és nem keletkezne évszázadokig megmaradó, sugárzó atomhulladék sem.

A fúziós reaktorok jelenleg kísérleti fázisban vannak, a hozzájuk fűzött remények szerint a század derekán állna üzembe az első energiatermelő példány. Jelenleg két alapvető módszerrel kísérleteznek, ezekről az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai, Földes István, Réfy Dániel, Szabolics Tamás és Zoletnik Sándor beszéltek az Origónak.

Az egyik módszer az úgynevezett mágneses összetartású fúzió. Itt egy Tokamak-típusú reaktorban a Föld mágneses terénél körülbelül 200 ezerszer erősebb mágnesek tartják össze azt a viszonylag ritka plazmát (elektromosságot vezető gázt), amelyet fokozatosan felfűtenek, annyira, hogy körülbelül 150 millió fokon megindulhat benne az atommagok fúziója. A mágneses térbe zárt plazma nem ér hozzá a reaktor falához. Ilyen lesz a jelenleg Franciaországban épülő ITER, amely 2023 körül mutathatja majd az első "életjeleket".

Épül az ITER Forrás: ITER Organization

A másik módszer az úgynevezett mikrorobbantásos (más néven inerciális) fúzió. A nagyon sűrű plazma itt egy olyan céltárgyban keletkezik, amelyet igen erős és igen rövid (a másodperc mintegy százmilliomod részéig tartó) lézerimpulzusokkal bombáznak, és ez adja a felfűtéshez az energiát. Maga a fúziós reakció a másodperc milliárdod részénél is rövidebb idő alatt játszódik le.

Először igazolták az elméletet

Az új eredmény ehhez a második módszerhez, a mikrorobbantásos fúzióhoz kapcsolódik. A Livermore Laboratóriumban 2009 óta próbálnak fúziót beindítani egy olyan lézerrel, amely egyetlen impulzus során 1,8 millió joule energiát közöl a céltárggyal. Az első években azonban nem sikerült megfelelően összenyomni a plazmát (hidrodinamikai problémák miatt), így át kellett tervezni a céltárgy szerkezetét és a meghajtó lézerimpulzusok időzítését is.

A lézer nem egészen egy centiméteres célpontja. A belsejében lévő narancssárga kapszula tartalmazza a plazmát Forrás: Nature

Ez meghozta az első sikert: a deutériumból és tríciumból (ezek a hidrogén izotópjai) álló plazmában lejátszódó fúziós folyamatok során neutronok és alfa-részecskék keletkeztek (lásd az alábbi ábrán). A nagy előrelépés az volt, hogy a keletkező alfa-részecskék tovább fűtötték a plazmát, körülbelül olyan mértékben, mint amennyire a lézer. Ezzel most először sikerült kísérlettel igazolni az elméletet: a plazma fűtésében, ezáltal a fúziós folyamatok fenntartásában a keletkező alfa-részecskék is részt vesznek, méghozzá a mennyiségükhöz képest egyre nagyobb arányban. E nélkül nem lehetne majd energiát termelni, hiszen nem az a cél, hogy több energiát pumpáljunk a lézerbe, mint amennyit kinyerünk a túloldalon.

A fúzió folyamata. A deutériumból és tríciumból álló plazmában lejátszódó magfúziós folyamatok során alfa-részecskék, energia és neutronok (jobbra fent kék gömbbel jelölve) keletkeznek Forrás: Nature

A plazma felfűtésének hatásfoka amúgy kulcskérdés. Jelenleg a lézer energiájának kevesebb mint 1%-a fordítódik erre. A mostani kísérletben az energiamérleg ehhez képest már pozitív volt, hiszen ennél az 1%-nál valamivel több fúziós energia keletkezett. Emellett még a lézerek hatásfokán is jelentősen kell javítani. Hosszú út vezet azonban még odáig, hogy az egész energiamérleg nyereséges legyen. A kutatók következő feladata az, hogy javítsák a folyamat hatásfokát, és érjék el, hogy a keletkező alfa-részecskék minél nagyobb arányban vegyék ki a részüket a plazma fűtéséből.

Katonai terület volt

A mikrorobbantásos fúzió vizsgálata jelenleg az alapkutatási, fizikai szinten van. Történeti okok miatt nincsenek benne olyan nagy nemzetközi együttműködések, mint a mágneses összetartású fúzió kutatásában. 1990-ig ugyanis ez katonai finanszírozású terület volt, mert atomrobbantások szimulációjára is alkalmasnak találták. Az utóbbi évtizedekben enyhült a helyzet, egy kis létszámú budapesti–szegedi kutatócsoport is ezzel foglalkozik (néhány alapvizsgálatra a szegedi szuperlézer, az ELI is alkalmas lesz majd ezen a területen). Franciaországban a jövő évben kezd működni egy, a livermore-ihoz hasonló (félkatonai) lézerberendezés, míg az Európai Unió kizárólag békés felhasználású berendezése, a HiPER lézer szerepel az EU nagyberendezéseinek terveiben.

A magyar kutatók sokkal nagyobb szerepet játszanak a mágneses összetartású fúzió kutatásában, így részt veszünk például az ITER építésében, és műszereket szállítunk más kísérleti reaktorokhoz. Minderről a Magfúzió.hu honlapon olvashatnak részletesen.