Több évtizednyi kutatómunka után létrehozták az első égő fúziós plazmát, ami közelebb hozza az energiatermelésre használható nukleáris fúzió álmát, derül ki egy ma közölt tanulmányból. Az amerikai National Ignition Facilityben 2021-ben végzett kísérletek igazolták, hogy a lézeres fúzió képes teljesíteni egy az önfenntartó fúziós reakciókhoz szükséges lépést, az önfenntartó plazma létrehozását.

A magfúzió során atommagok egyesülnek, ami nehezebb atomok létrejöttével és energia felszabadulásával jár. Az égő fúziós plazma azt az állapotot jelzi, amikor a fúzióval létrejött héliumatommagok energiája már gyorsabban hevíti az üzemanyagot, mint ahogy a veszteségi mechanizmusok hűtenék. Az égő plazma nem azonos a plazma meggyújtásával, amikor maga a fúziós reakció lesz önfenntartó – ez utóbbi folyamat a csillagok magjában, a szupernóvákban, valamint termonukleáris fegyvereknél zajlik le. Az eredmény nem jelenti továbbá a breakeven pont elérését, amikor a fúziós reakció által generált összenergia azonos lesz a plazma fűtésébe fektetett energia mértékével.

A szinte kimeríthetetlen, fenntartható energiaforrást ígérő fúzió felé tett jelentős áttörést leíró tanulmány ma délután jelent meg a Nature-ben, egy a kísérleti rendszert részletesen bemutató, a Nature Physics alfolyóiratban közölt cikkel együtt. Az eredmény nemcsak a fúziós energia szempontjából fontos: a kutatók szerint hozzájárulhat olyan új fizikai felfedezésekhez, amelyek kihasználják az eddig laboratóriumi körülmények között elérhetetlennek bizonyuló plazmaállapotot. A siker emellett nemzetbiztonsági szempontból is lényeges, a különleges plazmaállapotok vizsgálata ugyanis elsősorban az Egyesült Államok nukleáris fegyvereinek fenntarthatóságát szolgálja.

Alex Zylstra kísérleti fizikával foglalkozó kutató és kollégái a kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium National Ignition Facilityjében nagy energiájú lézerekkel működő, úgynevezett inerciális fúziós berendezéssel érték el az eredményt, ami az üzemanyagot – jelen esetben a hidrogén tengervízből kinyerhető izotópját, deutériumot (²H) és reaktorokban előállítható tríciumot (³H) – tartalmazó kapszula összenyomásával és felhevítésével indítja el a magfúziót. A szakemberek a fúzióhoz 200 mikrogrammnyi izotópot használtak, ami nagyjából megfelel egy vitaminkapszulában található hatóanyag mennyiségének.

Az NIF kísérleti rendszere 192 nagy energiájú lézerrel dolgozik, amelyek 453 kilogramm víz 1 fokkal való felhevítéséhez elegendő mennyiségű, 1,9 megajoule-nyi energiát adnak át egy speciálisan kialakított, két végén nyitott hohlraum henger belső falának (működtetésük ugyanakkor ennél közel 200-szor több energiát igényel). A lézerek a hengerben röntgensugárzást generálnak, ami a másodperc törtrésze alatt összepréseli a fúziós üzemanyagot tartalmazó kapszulát, és a Nap magjában uralkodó hőmérséklet 3,3-szorosára, 50 millió fokra hevíti. Ez már elegendő a deutérium-trícium-fúzió beindításához, amelynek során a hidrogénizotópok héliummá egyesülnek, egy neutron létrejötte és energia felszabadulása mellett.

A berendezés a tanulmány által taglalt kísérletekben a maximális teljesítményét egy 2021. február 7-i kísérlet során érte el, amikor 170 kilojule-nyi (0,17 MJ) energia szabadult fel a fúziós reakcióból. Ez háromszorosa a korábbi eredményeknek, de lényegesen elmarad a lézerekkel a rendszernek biztosított 1,9 megajoule-tól. A kutatók közleményük végén röviden azt is megemlítették, hogy későbbi, 2021. augusztus 8-án végzett kísérleteik során 1,35 megajoule energia szabadult fel, közel nyolcszorosan túlszárnyalva a korábbi eredményt, még közelebb jutva a plazma meggyújtásának mérföldkövéhez. A kutatók úgy vélik, hogy további fejlesztésekkel ez hamarosan sikerülhet is.

A tanulmánnyal egy időben a Nature-ben közölt véleménycikkében Nigel Woolsey, a Yorki Egyetem kutatója szerint Zylstra és munkatársainak sikere nem kifejezetten az elért energiamennyiségekben áll, hanem a kísérleti rendszer precizitásában és irányításában, amiket a fizikus lenyűgözőnek nevez. Woolsey szerint a kutatók sikereiket alapvetően két változtatásnak köszönhetően érték el. Egyrészt a lézerek hullámhosszának alakításával optimalizálták a henger belső falának átadott hő mennyiségét, illetve megváltoztatták magának a hohlraum hengernek az alakját, ezzel tovább javítva a lézerek hatékonyságát. Woolsey szerint egyelőre nem világos, hogy ez a kutatási irány valóban elvezethet-e a valóságban is bevethető energiatermeléshez, de szerinte mindenképpen érdemes vele próbálkozni, különösen az üvegházhatású gázok kibocsátása által okozott globális felmelegedés fényében.

Már csak ezért is ígéretes, hogy a lézeres inerciális fúzió mellett más, sokkal jelentősebb mértékű fejlesztéseken is dolgoznak szakemberek szerte a világon. Ilyen a nemzetközi együttműködés keretében Franciaországban épülő kísérleti fúziós reaktor, az ITER is, aminek egyik kezdeti célja a fúziós plazma meggyújtásának elérése. A 2025-ben működésbe lépő ITER a világ messze legnagyobb tokamak típusú fúziós reaktora lesz, amely a Nap magjánál tízszer forróbb plazmát mágneses mező segítségével kontrollálja majd egy tórusz alakú térben. A tervek szerint az ITER 2035-ig a plazmába fektetett 50 megawattnyi fűtési energiából 500 megawattnyi hőt lesz képes előállítani. Ha sikerül ezt a mérföldkövet elérni, és egyéb technikai kihívásokat megoldani, 2050 körül elkészülhet a DEMO, az első valóban energiatermelésre használható tokamak típusú fúziós reaktor is.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: