A Kulturális és Innovációs Minisztérium (KIM), valamint a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH) Nemzeti Laboratóriumok programja keretében működő Nanoplazmonikus Lézeres Fúzió Kutatólaboratórium friss eredményeiről és terveiről adunk tömör ismertetést az alábbiakban.
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 megajoule (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.
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.
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.
Forrás: innoteka.hu