Fontos mérföldkőhöz érkezett a fúziós energia

A nukleáris fúziós energia valósággá válásának legfőbb feltétele, hogy több energiát állítsanak elő egy fúziós reakcióból, mint amit belefektettek. Ezt a mérföldkövet először sikerült elérni egy új kutatási tanulmány szerint.

A Nature szaklapban megjelent publikációban az Egyesült Államokbeli Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium egy kísérletsorozat részleteiről ír, melyben a fúziós reakciókból nyert energia meghaladja a folyamat létrehozásához felhasznált energia mennyiségét. A kísérletet a 2009-ben 3,5 milliárd dolláros költségvetésből megépült National Ignition Facilityben (NIF) hajtották végre. A kutatók 192 lézernyalábbal vettek célba egy fúziós fűtőanyaggal (deutérium- és a tríciumplazmával) megtöltött, mintegy 2 milliméteres kapszulát, amelyet egy hajszálvékony fagyott réteggel béleltek ki.

Az igen magas hőmérsékleten a hidrogénizotópok magjai fuzionáltak, neutront, alfa-részecskét és energiát kibocsátva. A szeptemberben, illetve novemberben elvégzett kísérletek során a fúziós üzemanyag több energiát adott le, mint amennyit abba bevittek, igaz, ez kevesebb volt annál, mint amennyit a lézerek a célra sugároztak. Annak köszönhetően, hogy a lézersugarak erejét megduplázták, a deutérium és a trícium fúziója stabilabbnak bizonyult, mint a korábbi kísérletek során. A tavaly májusban elkezdődött kísérletsorozat közben a fúziós energiahozamot a tízszeresére növelték. Az egyik kísérlet során sikerült a fúzió begyújtásához szükséges, úgynevezett Lawson-kritériumok több mint felét teljesíteni - igaz, a begyújtáshoz szükséges energiaszintnek csak a századrészét érték el.


Az atommagok egyesüléséhez szükséges hő létrehozásához 192 lézersugarat koncentrálnak egyetlen pontba
"Ami igazán izgalmas, hogy ahogy mindig egy kicsivel erősebb berobbanásokat idézünk elő, egyenletesen növekvő hozzájárulást látunk az alfarészecske önhevítésnek nevezett önhajtott folyamata hozamához" - nyilatkozott a tanulmány szerzője, Omar Hurricane. Az önhajtás (bootstrapping), akkor jön létre, amikor az alfarészecskék energiájukat a szökés helyett leülepítik deutérium-trícium (DT) üzemanyagukban. Az alfarészecskék tovább hevítik az üzemanyagot, növelve a fúziós reakció mértékét, ezáltal még több alfarészecskét állítva elő. Ez a visszacsatolási folyamat testesíti meg a begyújtáshoz vezető mechanizmust. Ahogy arról a Nature-ben beszámoltak, az önhajtó folyamatot egy kísérletsorozatban demonstrálták, szisztematikusan növelve a fúziós hozamot.

A kísérleteket rendkívüli körültekintéssel tervezték meg, hogy elkerüljék a DT üzemanyagot körülvevő és magába záró műanyag héj bomlását a kompresszió során. A tudósok elmélete szerint ez a bomlás volt a korábbi kísérletekben megfigyelt gyenge fúziós hozamok forrása. Az üzemanyag kompressziójához használt lézerimpulzus módosításával sikerült elfojtani a bomlást eredményező instabilitás kialakulását. Az így kapott magasabb hozamok alátámasztották az elméletet és demonstrációul szolgáltak az önhajtás beindítására.


A deutérium és trícium kapszulákat tartalmazó konténert nagyon alacsony hőmérsékletű karok tartják
Hurricane szerint a kísérleti eredmények sokkal jobban egyeztek a számítógépes szimulációkkal, mint a korábbi kísérleteké, fontos viszonyítási alapot adva az anyag hasonló körülmények közötti viselkedésének előrejelzéséhez használt modellek számára. "További kutatások szükségesek, és több fizikai problémát kell megoldanunk mielőtt eljutnánk a végéhez, csapatunk azonban dolgozik ezeken, és a kihívásoktól fejlődik egy tudományos csapat" - összegzett. A kutató szerint rengeteg munkára van még ahhoz szükség, hogy a kísérlettől eljussanak a fúzió önfenntartó energiaforrássá válásához. Kijelentette, hogy nem sikerült fúziós erőművek működtetéséhez szükséges begyulladást előidézniük, és nem kívánt találgatásokba bocsátkozni azzal kapcsolatban, hogy ezt mikorra tudják elérni.

Szakemberek a NIF által bejelentett sikert az utóbbi évek legjelentősebb érdemi eredményének tekintik a magfúziós kutatásokban, amely megadhatja a végső lökést az önfenntartó fúzió "beindításához". Ez akkor valósul majd meg, ha a folyamat során legalább annyi energia szabadul fel, mint a lézernyalábok által szolgáltatott energia.

A fúziós rendszer gyökeresen eltér a hagyományos atomerőművektől, amelyek a maghasadás elve alapján működnek. A fosszilis üzemanyagokkal és a nukleáris erőművekkel szemben a fúzió üvegházgázok és radioaktív hulladék nélküli, korlátlan és olcsó energia forrása lehet. A magfúzióban két kisebb atommag egyesül egy nagyobbá. Ha a reakcióban résztvevő elemek könnyebbek a vasnál, akkor a folyamat óriási energia-felszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni. A Nap is - akárcsak a többi csillag - fúzió segítségével "működik": hidrogénatomjai egyesülnek, aminek eredményeként héliumatommagok keletkeznek, hatalmas energia szabadul fel.