Sikeres robbantás a világ legnagyobb teljesítményű lézerével

A brit Rutherford Appleton laboratóriumban a világ ma legnagyobb teljesítményű lézerével, a Vulkánnal 10 millió Celsius-fokra hevítettek fel anyagot. A sikeres kísérlet fontos lépés a szabályozott termonukleáris fúzió mikrorobbantásos technikával való megvalósítása felé.

A Vulkán egyik közel egy méter átmérőjű tükre

Megoldások földi atommag-fúzióra

Már több mint fél évszázada folynak kísérletek a Napban zajló energiatermelési folyamat, az atommag-fúzió földi megvalósítására. A Napban a legkönnyebb elem, a hidrogén izotópjai olvadnak össze, és ez a magfizikai folyamat hatalmas energiafelszabadulással jár. A reakció sajnos csak rendkívüli körülmények, több millió fokos hőmérséklet és nagy anyagsűrűség mellett megy végbe, ezek földi megteremtésén fáradoznak a kutatók. Az egyik ígéretes megoldásnál a forró, plazma állapotú anyagot mágneses térrel ejtik csapdába, hogy végbemehessen az atommagok fúziója. A legígéretesebb mágneses plazmaberendezés a tórusz alakú tokamak, amellyel igen rövid időre már sikerült a fúziót laboratóriumban is megvalósítani. Nemzetközi összefogással Franciaországban épül a világ legnagyobb tokamakja, az ITER.

A másik megoldás a lézeres fúzió. Az üzemanyagot, a lefagyasztott nehéz hidrogénizotópokat parányi, 1-2 milliméter átmérőjű gömböcske tartalmazza. A kis gömbre sok irányból nagyon intenzív lézernyalábokat irányítanak. A nyalábok összenyomják és felhevítik az üzemanyagot, majd a szükséges hőmérséklet és nyomás elérésekor robbanásszerűen végbemegy az atommagok összeolvadása. A sikeres mikrorobbantáshoz nagy teljesítményű lézerre van szükség. A Vulkán teljesítménye a világ villamos energiatermelése százszorosának felelt meg, természetesen csak a pillanat törtrészére, mindössze pikoszekundumnyi időre (ez a másodperc billiomod része).

Brit és amerikai lézeres kísérletek

A legutóbbi kísérletben a nyalábot rendkívül kis területre fókuszálták, mérete kisebb volt az emberi hajszál vastagságának egytizedénél. A kísérlet egyik célja annak a kiderítése volt, hogy a lézernyaláb energiájából mennyit tud hasznosítani a céltárgy anyaga. A majdani energiatermelő rendszerben ugyanis kulcskérdés lesz a hatékony energiaátadás. A brit kutatók már tervezik a következő, még nagyobb teljesítményre képes lézert.

Az Egyesült Államokban már évek óta épül az ország legnagyobb tudományos beruházása, a NIF (National Ignition Facility - "nemzeti robbantó eszköz") a Lawrence Livermore laboratóriumban, Kalifornia államban. 2001-ben készült el az első lézerrendszer, az energiatermelésre 2010-12 táján állnak majd készen. A berendezés létrehozása már több évet késett az eredeti tervekhez képest, és a költségek is alaposan megnőttek. A rendszerben 192 lézernyalábot irányítanak majd a parányi céltárgyra.

Az egész rendszer két futballpályányi, 250 x 150 méteres csarnokban épül (lásd a fenti képen), több emelet magasságban. A teret főként a lézerrendszerek töltik ki. 192 pályán kell jó néhány erősítő egység és sok-sok egyéb optikai elem közbeiktatásával vezetni a nyalábokat, míg azok elérik a célt. Nagyon fontos a lézerimpulzusok időbeli összehangolása is, hiszen ha nem pontosan egyszerre érnek célba, akkor a kis gömböcskét kilövik a helyéről, mielőtt végbemehetne a reakció. Fontos a lézernyalábok színe (hullámhossza) is, mivel a gömböcske többrétegű falán eltérő mértékben képesek áthatolni a különböző hullámhosszúságú sugárzások. Ahhoz kell tehát a stadionnyi drága berendezés, hogy ezt a milliméteres gömböcskét felrobbanthassák. És ez még csak laboratóriumi kísérlet. Egy majdani energiatermelő fúziós rektorban hasznosítani is kell a felszabaduló energiát, ami tovább bonyolítja a feladatot.

A NIF-programot nemcsak a jövőbeni energiaellátás biztosítása érdekében finanszírozza az Egyesült Államok, fontos szerep vár a felhalmozott nukleáris fegyverkészletek ellenőrzésében is. Az atomfegyver-kísérleteket, a kísérleti robbantásokat nemzetközi egyezmények tiltják, ezért a fegyverek megbízhatóságát más módon kell ellenőrizni. A korábbi kísérletekben gyűjtött hatalmas adatmennyiségre alapozva nagy számítógépes szimulációs programokat dolgoztak ki. A modellszámításokat állandóan továbbfejlesztik, az új elemeket viszont ellenőrizni is kell. Ebben kap fontos szerepet a NIF, ahol a nukleáris fegyverek robbantásánál fellépő rendkívüli hőmérséklet és nyomásviszonyokhoz hasonló körülmények állíthatók elő.