A nemzetközi sajtóban nemrég nagy visszhangot keltett a hír, hogy az Amerikai Egyesült Államok Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kutatóintézetének National Ignition Facility (NIF) lézerberendezésében sikeres lézeres összenyomásos (inerciális) fúziós kísérletet hajtottak végre. A világ egyik legnagyobb lézerrendszerének számító NIF-ben lezajlott kísérlettel először sikerült a magas hőmérsékletű plazmában lejátszódó fúziós folyamatok révén nagyobb energiamennyiséget termelni, mint amennyi fényenergiát a lézerek a fúzió gerjesztése céljából kibocsátottak.

Az SZTE HILL laboratóriumában Prof. Dr. Földes István, a Wigner FK Részecske- és Magfizikai Intézet munkatársa, az SZTE címzetes egyetemi tanára; Prof. Dr. Szatmári Sándor, egyetemi tanár, az SZTE HILL kutatólaboratórium vezetője és a Kínai Atomenergiai Kutatóintézet címzetes professzora; valamint Dr. Tóth Zsolt, az SZTE SZAOK, TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet tudományos főmunkatársa válaszolt a témát érintő kérdéseinkre.

Egy régi álom: a magfúziós erőmű

A magfúziós energiatermeléssel a kutatók esélyt látnak arra, hogy karbonsemleges módon kapjanak tiszta energiát, amelyet a maghasadáson alapuló jelenlegi atomerőművekhez képest jóval kevesebb radioaktív végtermékkel, és könnyebb szabályozással állítanak elő. A fúziós energiatermelés a kutatók régi álma; először az 1958-as genfi „Atoms for Peace” konferencián hangzott el az a jóslat, hogy még 30 év kell a fúziós erőmű létrehozásához. Az erőmű kérdése azonban mindmáig megoldhatatlan problémának bizonyult, a fejlesztő kutatások korábban ismeretlen technológiai és fizikai kérdéseket vetettek fel. Ezeken a problémákon egyre jobban specializálódott kutatók dolgoznak, akár évtizedeken át egy-egy partikuláris kérdéssel foglalkozva.

A galaxisokba csoportosuló csillagokban végbemenő magfúzió úgy indul be, hogy hatalmas mennyiségű hidrogéngáz sűrűsödik össze a saját súlya alatt, és ez a gravitációs nyomás annyira magas hőmérsékletet idéz elő, hogy beindul az atommagok egybeolvasása, vagyis a fúzió. Ennek során a kilépő részecskékkel és fotonokkal szabadul fel az az energia, ami a csillag belsejéből a felszínig halad, és amelyet a Földről csillagfényként vagy napsugárként érzékelünk.

A laboratóriumban azonban nincs akkora tömegű gáz, hogy a hőmérsékletet megemelje, így ezt az energiabevitelt mesterségesen kell biztosítani. A földi fúziós kísérletekben a hidrogén izotópjainak, a trícium és deutérium atommagjainak fúziójához a gázt százmillió °C fok körüli hőmérsékletre kell rövid idő alatt felforrósítani, hogy a gáz plazma halmazállapotúvá váljon és beinduljon a magfúzió. A kutatások a plazmaállapot elérése és fenntartása szempontjából két fő irányban folynak. Az Európai Unió által támogatott fúziós kutatás, ezen belül a magyar részprojektek többsége is, elsősorban a „kiegyensúlyozottabb” körülmények között működő mágneses összetartású plazmakísérletekhez kapcsolódik. Ebben az esetben egy tokamak berendezés tórusz alakú mágneses mezőjében hozzák létre és tartják meg a százmillió °C hőmérsékletű plazmát. Az energiát a fúzió nyomán nagy energiával kilépő részecskék mozgási energiájának hővé alakításából nyernék ki. Ezen az alapon működik majd az Európai Unió franciaországi ITER kísérleti erőműve is, amely 2025-re készül el, és 2035 körül indulhatnak benne magfúziós kísérletek.

A lézeres technológiai fejlesztések egy másik, inerciális eljárásnak nevezett kutatási irányban kapnak szerepet; ezt az utat követte a sikeres áttörést hozó amerikai kísérlet is. Ebben az esetben a plazmát úgy érik el, hogy a gázatomokat hirtelen nagy intenzitású lézeres, vagy röntgen besugárzásnak teszik ki. A létrejövő plazmában bekövetkezik az atommagok összeolvadása és a fúziós energia felszabadulása. A fúziót biztosító plazmaállapot fenntartása azonban itt is igen energiaigényes és kényes művelet. A végső cél az, hogy a fúzióból elérhető energia haladja meg a gáz gerjesztéséhez használt lézersugárzás létrehozásának energiáját.

Berendezések a Szegedi Tudományegyetem HILL laboratóriumában. Fotó: Sahin-Tóth István

A szegedi lézerfejlesztés is kapcsolódhat

Az amerikai kísérlet sikere egyúttal a lézeres technológiai fejlesztés témáját is felértékelte. Feltételezhető ugyanis, hogy a lézersugárzás hullámhosszának csökkentésével (frekvenciájának növelésével) optimálisabb lehet az energiaráfordítás és egyszerűbb a plazmaállapot fenntartása. Ide kapcsolódhatnak a Szegedi Tudományegyetem HILL laboratóriumában a korábbi évtizedekben Prof. Dr. Szatmári Sándor és munkatársai által elért lézerfejlesztési eredmények.

A szegedi kutatóhelyen az elmúlt évtizedekben a magas frekvenciájú, az ultraibolya hullámhossz tartományban sugárzó úgynevezett excimer lézerek technológiai fejlesztésével foglalkoztak. Prof. Dr. Szatmári Sándor elmondta, hogy az általuk épített berendezéseket az elmúlt 25 évben három nagy nemzetközi intézettel kialakított K+F együttműködésben fejlesztették; ezek között két olyan kínai kutatóintézet is volt, amely az atomenergia-, köztük a magfúziós kutatás területén – meglehetősen magas titoktartási körülmények között – használja a Szegeden készült lézert.

Prof. Dr. Szatmári Sándor és Dr. Tóth Zsolt elmondták: az inerciális kísérleteknél a plazmaállapot fenntartásának kritikus tényezője, hogy a plazmagömböt sikerül-e hosszabb ideig szimmetrikus gömbformában megtartani.

– A plazma a nyomás alatt, mintha egy éppen felfújt léggömböt próbálnánk összenyomni két marokkal, megpróbál kitüremkedni, ami a fenntarthatóság hatékonyságát rontja. A plazma ilyen instabilitásra vonatkozó hajlama csökkenni fog, ha egyre rövidebb hullámhosszú lézert használnak – mondták a szegedi kutatók.

Az SZTE HILL laboratóriumában évtizedek óta rövid, 248 nanométer és 193 nanométer hullámhosszúságú excimer lézerekkel dolgoznak. Újabban nemzetközi kutatási eredmények jelentek meg arról, hogy a 200 nanométernél rövidebb hullámhosszú lézerek hatékonyak lehetnek a plazmainstabilitások kiküszöbölésére. Ha ez beigazolódik, Prof. Dr. Szatmári Sándor esélyt lát arra, hogy akár Szegeden is ilyen rövid hullámhosszú lézer fejlesztésében vegyenek részt. A HILL laboratóriumban jelenleg a Nemzetközi Atomenergia-ügynökség által koordinált „Út az inerciális fúziós energiához: anyagtudományi kutatás és technológiafejlesztés” című projekt keretében végeznek kutatásokat. A Dr. Tóth Zsolt által vezetett kutatásokban – tudományos diákkörös és diplomázó hallgatók bevonásával – a különböző hullámhosszúságú és időtartamú lézerimpulzusok kölcsönhatását vizsgálják perspektivikus fúziós céltárgy, vagy fúziós kamra anyagokkal. Egy további kutatási terület a fúziós plazma röntgensugárzásának spektroszkópiai vizsgálata, amellyel többek között információ nyerhető a plazma alkotórészeinek hőmérsékletéről.

Milyen legyen a plazma összenyomása?

Prof. Dr. Földes István, az SZTE címzetes professzora a Wigner Intézetben maga is az inerciális módon előállított fúzió területével foglalkozik. Jósolni ugyan szerinte inkább csak az újságok szoktak a témában, de ő maga is esélyt lát arra, hogy akár a mágneses, akár az inerciális módszer eredménnyel fog járni az energiatermelő fúzió kutatásában. Prof. Dr. Földes István elmondta, hogy az amerikai Livermore-ban folytatott sikeres kísérlet esetében a lézernyalábokat nem közvetlenül a fúziós céltárgyra irányították, hanem egy üreges arany hengerbe vezették, és az itt keletkező röntgensugárzás hatása váltotta ki a henger belsejében elhelyezett pár milliméteres átmérőjű gömbben a deutérium-trícium üzemanyag többmillió °C felforrósodását. A röntgensugarak hullámhossza a lézerfény alsó határánál is rövidebb, így a kísérlet igazolta azt is, hogy a hullámhossz-csökkenés ígéretes kutatási irány. Az aranyhengeres közvetett metódus azonban egy erőműben aligha lenne megvalósítható. Prof. Dr. Földes István ezért inkább azt látja célravezetőnek, ha az alacsony hullámhosszú lézerimpulzusok a létrehozott plazmát közvetlenül nyomnák össze, ez pedig várhatóan az SZTE-ben is kutatott excimer lézerekre fogja irányítani a figyelmet.

Prof. Dr. Földes István a livermore-i kísérlet energiatermelési sikerének kulcsát abban látja, hogy az amerikai kutatóknak sikerült a magfúzió során felszabaduló, egyébként ártalmatlan mellékterméknek számító hélium atommagok energiáját is visszafordítani a plazmaállapot fenntartására, a fúziós kapszula fűtésére.

Prof. Dr. Földes István, Dr. Tóth Zsolt és Prof. Dr. Szatmári Sándor. A három kutatóval folytatott háttérbeszélgetésen készült interjúnkat rövidesen közöljük. Fotó: Sahin-Tóth István

Panek Sándor

Borítókép: Prof. Dr. Földes István, Dr. Tóth Zsolt, Prof. Dr. Szatmári Sándor a Szegedi Tudományegyetem HILL laboratóriumában. Fotó: Sahin-Tóth István