Nanofúzió Csillebércen

A Wigner Fizikai Kutatóközpontban (Wigner FK) működő Nanoplazmonikus Lézeres Fúzió Kutatólaboratórium a rövid, intenzív lézerimpulzusok plazmonkeltését szeretné hasznosítani. A remények szerint az inerciális magfúzió során hasznosítható kísérletek eddigi eredményeiről és a folytatásról Biró Tamás Sándor fizikust, szakmai vezetőt kérdeztük.


Az emberiség energia­ellátása ma a fosszilis tüzelő­anyagokra (szén, olaj, földgáz) épül, melyek jelenleg a világ energia­szükségleté­nek 80 százalé­kát fedezik. Az évmilliók alatt felhalmo­zott készletek azonban néhány ember­öltő múlva elfogynak, miköz­ben a fel­használá­suk súlyos környezet­szennyezés­sel jár. Mi lehet a megoldás?

– Az atomenergia jóval nagyobb üzemanyag­készlettel rendelkezik, és nagy mennyi­ségű energia elő­állítására alkalmas, ugyanakkor év­ezrede­kig veszélyes radio­aktív anyagokat termel. A megújuló energia­források egy része – például a nap- és a szél­energia – csak nagy területen, kis mennyiség­ben és időben egyenet­lenül elosztva képes energiát termelni, nem beszélve arról, hogy függnek az idő­járás szeszélyétől. Olyan energia­forrás kell, amely nem terheli a környezetet, nagy mennyi­ségben állítható elő biztonsá­gosan és olcsón, hiszen a Föld energia­igénye a 21. század közepére a jelenlegi két-három­szorosa lesz. Az emberiség­nek van egy eddig kiaknázatlan energia­forrása: az, amely a Napunkat is működteti – az atom­magok egyesülése­kor felszabaduló mag­fúziós energia.

A vákuumkamra egy speciális fénygyűjtő és atomi átmeneteket elemző detektorral, a LIBS (Laser Initiated Breakdown Spectroscopy) módszerhez, mellyel a deutérium/hidrogén arányt mérik a belövéskor kiszabaduló plazmában.
Miként valósítható meg a Földön a magfúzió?

– Ehhez a folyamathoz a hidrogén két izotópja, a deutérium és a trícium keveréke kell. A deutérium évmilliókig elegendő mennyiségben megtalálható a természetes vizekben, a trícium pedig előállítható a Földön szintén hatalmas mennyiségben fellelhető fémből, a lítiumból. A fúziós erőművekkel nagy mennyiségű energia termelhető, ilyen erőmű azonban eddig sehol sem épült. A Nap maghőmérsékletére, százmillió Celsius-fokra kell hevíteni, és ezen a hőmérsékleten minden más anyagtól távol, mágnesek segítségével össze kell tartani a fúzióra alkalmas üzemanyagot, a forró plazmát ahhoz, hogy beinduljon a magegyesülés és hélium keletkezzen.

A fényt elemző spektrométer, amely rendkívül jó felbontással (század nanométer pontossággal) rögzíti az optikailag begyűjtött spektrumokat. Ebben keresik a hidrogén és a deutérium jelenlétére utaló jeleket és hasonlítják össze ezek mértékét.
Csak ez az út járható?

– A szabályozott magfúzió megvalósításának másik lehetséges módja az úgynevezett tehetetlenségi vagy inerciális fúzió, ahol az energiát nem melegítésre, hanem közvetlen energiaközlésre használják, és lézerekkel sugározzák be a pár milli­méteres célpontot. A fúziós anyagot tartalmazó kapszulát nagy energiájú lézer- vagy ionnyalábokkal több irányból szimmetrikusan összenyomják. A hatalmas nyomás miatt összesűrűsödő anyagban elvileg létrejönnek a fúzió feltételei. A Wigner Fizikai Kutatóközpontban a rövid, intenzív lézerimpulzusok plazmonkeltését szeretné hasznosítani a 2021 őszén önálló osztállyá szervezett Nanoplazmonikus Lézeres Fúzió Kutatólaboratórium. Az inerciális fúzió technikájának fejlesztésében teljesen új, innovatív megközelítést javaslunk, amelynek során a magfúzió begyújtása hatékonyabbá és gazdaságosabbá válhat. Ezt úgy szeretnénk elérni, hogy a fúziós üzemanyaghoz nanorészecskéket adunk. Mi azt kutatjuk, hogy vannak-e olyan alternatív lehetőségek, amelyekhez nincs szükség a dél-franciaországi Cadarache-ban épülő kísérleti fúziós erőműhöz, az ITER-hez hasonló óriási méretekre, hiszen annak a belső plazmaterében is csak mindössze egy gramm anyag van.

Az ultrarövid lézerimpulzussal indukált plazmonok hatásait vizsgálják. Mik azok a plazmonok, és miért ultrarövid lézereket használnak?

– Fény segítségével egy fém felületén lévő úgynevezett vezetési elektronokat hullámszerű mozgásra lehet kényszeríteni, amelyben sűrűsödések és ritkulások váltják egymást. Ezek hullámhossza rövidebb a gerjesztő fény hullámhosszánál. Ezt az új típusú töltésmozgást nevezik felületi plazmonnak. Azért használunk ultrarövid lézerimpulzusokat, hogy elkerüljük a Raleigh–Taylor-féle instabilitás kialakulását. Jelen­leg egy néhány centiméteres, 20–120 mikron vastagságú hártyával kísérletezünk, amivel azt szeretnénk elérni, hogy a minta egyszerre nyelje el az energiát a felületén és a belsejében. Ehhez az kell, hogy egyszerre gyulladjon be minden pontján, mert így nem tud az instabilitás kifejlődni. Az in­stabilitás elkerülése mellett javítani szeretnénk az energia befogadását is, ezért a fúziós üzemanyagba 25 nanométer átmérőjű és 85–135 nanométer hosszúságú rudacskákat helyeztünk. Amennyiben a fúziós küszöb megközelíthetővé vagy elérhetővé válik, megkezdődhet a fejlesztési munka: ezeknek a fizikai folyamatoknak a hasznosítása áramtermelésre.

A plazmonok mozgásának komputeres szimulációja: az elektronok egy része a rudakon kívül is megjelenik, és a rúd két vége között gyorsan oszcillál.
Honnan jött az ötlet, és milyen perspektívát látnak a kuta­tásban?

– A nanotechnológia és az egyidejű lézeres begyújtás terve két magyar fizikusnak, Csernai László Norvégiában élő professzornak és Kroó Norbert akadémikusnak, a hazai plazmonika és lézeres kutatás egyik úttörőjének egy-egy ötletéből született. Papp István fiatal kutatóval hármasban dolgozták ki az első ilyen témájú magyar szabadalmat.

Nanorészecskék alkalmazása az inerciális fúzióban másutt is felmerült?

– A két területet tudomásom szerint mi hoztuk össze először.

Milyen eredményeket értek el az elmúlt két évben?

– Az eddigi kísérletek számos részeredménye arra utal, hogy a nanorudak kedvezően befolyásolhatják a fúziós folyamatokat. Már látjuk, hogy az instabilitás elkerülése érdekében tovább kell finomítani a nanorudak egymástól való távolságát. A laboratóriumunkban használt kis teljesítményű lézerrel kapott eredmények alapján azt tervezzük, hogy a szegedi ELI-ALPS lézerközpontban sokkal nagyobb teljesítményű eszközökkel folytatjuk a munkát. Ehhez nemcsak nagy teljesítményű lézerre van szükség, hanem jóval nagyobb vákuumkamrára és még számos, igen drága berendezésre. A mi munkánkat is hátráltatja a globális chiphiány, mert hiába rendeltünk speciális spektrométereket, a gyártó nem szállítja le azokat.

Az arany nanorudakról készült mikroszkópos fekete-fehér kép, ahol a rudak méretéhez képest jellemző távolságuk látszik. Ez fontos paraméter, amelynek változtatásával még kísérletezni kell.
Mi lesz a folytatás?

– Tervezzük az újabb kísérleteket, és közben pályázunk, mert ezek a publikálás előtti fázisban álló eredmények több mint ígéretesek. A támogatásunk ez év június 30-áig lejár, de beadtunk újabb pályázatokat, mert meggyőződésünk, hogy az ötletünk jelentős segítséget nyújthat a fúziós energia­termelésben.•


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021  2022
Címkék

Innotéka