2029-ig a szövetségi kormány több mint 2 milliárd eurót fektet a fúziós kutatásba. Az Aachen-i Fraunhofer Lézertechnikai Intézet (ILT) korai lépéseket tesz. Ipari és kutatási partnerekkel együttműködve kutatja és fejleszti a jövőbeli fúziós erőművek megoldásait. A cél a hatékony ellátási láncok kiépítése, valamint az automatizált tömeggyártási eljárások fejlesztése. A nemzetközi együttműködés keretében az intézet többek között szorosan együttműködik a Lawrence Livermore National Laboratory-val. Ennek a Nemzeti Gyújtóberendezése a világ legnagyobb lézerével ismételten képes fúziós plazmát létrehozni, és folyamatosan növekvő energiafelesleget produkál. Az erőműtechnológia fejlesztése során spillover-hatások mutatkoznak, amelyek a fotonika számára új alkalmazási piacokhoz biztosíthatnak hozzáférést.
2022 decemberétől a fúziós kutatás világszerte fellendülésnek indult. A Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kutatói akkoriban a kaliforniai National Ignition Facility (NIF) területén történelmi áttörést értek el. Először sikerült egy nagyenergiájú lézer segítségével beindított tehetetlenségi fúzióval (IFE) több energiát felszabadítani, mint amennyit a lézer egy gombostűfejnyi pelletre koncentrált fúziós üzemanyaggal. Azóta az LLNL többször megismételte a kísérletet egyre növekvő energiafelesleggel. Ebből egyértelműen kiderült: az alapjául szolgáló fizika működik.
A klímasemleges, szinte korlátlan fúziós energiaforrás víziója soha nem volt ennyire kézzelfogható. Ráadásul az IFE-berendezések intrinzikusan biztonságosak, mert a plazma csak hatalmas nyomás alatt és körülbelül 150 millió °C-on gyullad meg. Az üzemanyag-ellátás és a gyújtóimpulzusok nélkül a fúzió azonnal megszűnik. Csak ezekben az extrém körülmények között képesek a hidrogénizotópok, a deutérium és a trícium egymást taszító magjai legyőzni a Coulomb-falat és fúzióba lépni. A tartós erőművi működéshez másodpercenként 10-15 pelletet kell komprimálni, plazmává alakítani és meggyújtani nagyenergiájú lézerimpulzusokkal. Így fenntartva a fúzió nagy mennyiségű alapenergia-termelést biztosít: csupán 1 kg fúziós üzemanyag annyi energiát tartalmaz, mint 22.500 tonna barnakőszén, ami egy 6 km hosszú tehervonat terhelésének felel meg. Az egész univerzumban nem ismert olyan anyag, amely hasonló energiasűrűséggel rendelkezne.
A német kormány több mint 2 milliárd eurót fektet a fúziós kutatásba.
Mint klímasemleges, alapellátásra képes energiaforrás, a fúzió fontos kiegészítővé válhat a jövő energiarendszereiben, ahol a költséghatékony, de volatilis szél- és napenergia fedezi a kereslet nagy részét. Az International Energy Agency (IEA) előrejelzései szerint a villamosenergia-igény a század közepére világszerte 2,5-szörösére, 70 petawattórára (PWh) nő évente. Ennek a tizedének a fedezéséhez közel 1.000 fúziós erőműre lenne szükség. Itt egy jövőbeli piaci lehetőség körvonalazódik a fotonikában, amely jelentősen meghaladja a mai árbevételét.
A kormányok és a magánbefektetők észlelték a lehetőséget, és jelentős összegeket irányítanak támogatások és kockázati tőke formájában a jövő területére. Jelenleg nemcsak az ilyen erőművek alaptechnológiáinak fejlesztéséről van szó, hanem már a hatékony ellátási láncok kiépítéséről és a erőmű komponensek tömeges, erősen automatizált gyártásának eljárásainak kidolgozásáról is. Itt lép be a Fraunhofer Társaság alkalmazásorientált kutatása.
Még mindig hatalmas technológiai és operatív kihívások várnak a kereskedelmi erőművek felé vezető úton. Ezen kívül a mágneses fúzió (MFE) egy másik ígéretes megközelítést is kínál. A német kormány a „Fusion 2040” program keretében mindkét megközelítést támogatja. Ennek költségvetését a kutatásért, technológiáért és űrkutatásért felelős minisztérium (BMFTR) nemrégiben 2 milliárd euróra emelte 2029-ig. A fotonika számára ez jó hír: a nagyenergiájú és nagy teljesítményű lézerek, optikák, érzékelők és rendkívül rugalmas lézeralapú gyártástechnológia nemcsak az IFE-erőművek kulcstechnológiái, hanem a mágneses fúzióhoz szükséges összetett Tokamak- és Stellarator-reaktorok fejlesztéséhez, építéséhez és üzemeltetéséhez is elengedhetetlenek.
Az amerikai kísérleti létesítmény csak egy tervrajz – az út a fúziós erőműhöz hosszú.
A Fraunhofer ILT a fúziós kutatás korai mozgalmárai közé tartozik. Ipari és kutatási partnerekkel (több mint 20 Fraunhofer Intézet aktívan részt vesz ebben a kutatási területen) nemzeti és nemzetközi projektek keretében technológiai alapokat dolgoz ki fúziós erőművek számára. Ezek a konzorciumok a sürgősen szükséges ellátási láncok csírái. A projektek célja a komponensek, alrendszerek és teljes erőművek valósághű modellezése és szimulációja, valamint robusztus optikák és hajtó lézerek kifejlesztése azokhoz a nagyenergiájú lézerekhez, amelyek a jövő IFE-erőműveiben 15 Hz-es ütemben gyújtják meg a fúziós plazmát. Ilyen frekvencia létrehozásához csak bonyolult diódával pumpált szilárdtest lézerek (DPSSL) jöhetnek szóba.
A kaliforniai kísérleti lézer 192 sugárúton alapul, ahol a villanólámpákkal pumpált üveglemezek erősítik a lézersugarakat. Ennek során a fotonok kölcsönhatásba lépnek a kristályüveg lemezek elektronjaival. Az egy kezdeti nanojoule pulzus energiaszintje abban az arányban nő, mintha egy normál kézi ütést akusztikusan egy súlyos földrengés szintjére erősítenénk. Ez a pumpálás az infravörös hullámhossztartományban zajlik.
A 192 sugárút között elosztott pulzus ezután zöld és kék hullámhosszokká alakul – és ultra-rövid hullámhosszú röntgensugárzássá válik, amikor az összes 192 sugár több mint 2 megajoule kombinált pulzenergiával szinkronban ütközik a céltárgyhoz. A gyújtó pulzus néhány nanomásodpercig ugyanakkora teljesítményt ér el, mint az Egyesült Államok teljes elektromos hálózata. Ennek megfelelően hatalmas kondenzátorokra van szükség a szükséges elektromos energia tárolására. A lövés után a rendszernek órákig kell hűlnie. A jövőbeli erőművek nagy energiasűrűségű lézereinek ez elképzelhetetlen. Ezeknek rendkívül hatékonyan kell akár 15 lövést is leadniuk másodpercenként. Az elektromos energiának optikai energiává való átalakításának hatásfokának a NIF-hez képest 10-15-szörösére kell emelkednie. Háttér: A kaliforniai kísérleti létesítmény soha nem volt energia termelésére, hanem plazmatudományi kutatásokra lett tervezve.
Támogatási projektek kidolgozása a fúziós erőművek fotonikus alapjaihoz
A DPSSL kulcsfontosságú komponensek az IFE-erőművek számára. A villanó lámpák helyett hatékony nagy teljesítményű lézerdiódákkal pumpálják őket. A BMFTR támogatási projektben, a DioHELIOS-ban a Fraunhofer ILT egy széles konzorciumban működik, amely a tömegesen szükséges nagy teljesítményű lézerdiódák fejlesztésére összpontosít. A diódák modellezése mellett a céljuk az aktívan hűtött modulokba való integrálás, beleértve a kollimáló lencséket, egészen a magasan automatizált gyártási láncok tervezéséig.
A célok ambiciózusak: A diódás szivattyú modulokkal elérhető impulzusenergia 50-szeresére kell nőnie, javított hatékonysággal és homogénebb, stabilabb spektrális tulajdonságokkal. Emellett a diódás lézermodulok költségeit teljesen automatizált tömeggyártással egy watt teljesítmény alatt egy centre kell csökkenteni. Ez kevesebb, mint a mai költségeik negyvenede. De ez semmiképpen sem mehet a minőség rovására: hiszen a nagy igénybevételnek kitett hardvernek 30 évig kell bírnia az erőmű üzemeltetése alatt. A kihívás mértékét az is mutatja, hogy a mai világ éves termelése a nagy teljesítményű diódáknak még egyetlen IFE-erőmű igényét sem fedezi. A Fraunhofer ILT a DioHELIOS konzorcium partnereivel már konkrét megoldásokat keres erre.
A DioHELIOS a "Fusion 2040" program keretein belül megvalósuló intézkedések egyike. A szorosan összefonódó PriFUSIO projektben a Fraunhofer ILT vezetésével egy konzorcium dolgozik a fúziós erőművekhez szükséges nagy energiájú lézerek optikai kulcskomponensein. "A cél a rendszeres továbbfejlesztés és validálás", magyarázza Dr. Sarah Klein, a Fraunhofer Társaság fúziós kutatási koordinátora. A projekt új eljárásokra összpontosít lencsék, optikai rácsok gyártására, bevonására és minőségellenőrzésére, valamint az erősítőlemezek szimulációjára és anyagfejlesztésére, amelyek a nagy teljesítményű lézerdiódákkal együttműködve a megajoule tartományba erősítik a gyújtópulzusokat. "Minden optikai komponensnek el kell viselnie a 24/7-es erőművi üzemelést. Ehhez többek között jelentősen meg kell növelni a megsemmisítési küszöbértékeiket", mondja. Emellett új megközelítésekre van szükség a kezdetben csak kis mennyiségben szükséges, részben nagyon nagy optikák költséghatékony előállításához. A Fraunhofer ILT egy ígéretes megközelítést követ ezen a téren is: lézeralapú folyamatláncok formázásra, polírozásra és utófeldolgozásra. A mechanikai eljárásokkal összehasonlítva az eszköz a fényt már eleve kevesebb mikroréssel és zavaró helyzettel vezeti be az optikai komponensekbe, ami növeli azok robusztusságát és élettartamát.
A „IFE-Targetry-HUB“ és a „Durable“ projektekben a Fraunhofer ILT csapatai is az élen járnak a fúziós erőművek kulcstechnológiáinak fejlesztésében. A „Durable” a plazmaoldali falkomponensek additív gyártásának szimulációjával és folyamatfejlesztésével foglalkozik. A 24/7-es erőműüzemeltetés során folyamatosan a fúzióból felszabaduló neutronok csapódnak a falakra. Ezek kinetikus energiája a falakban egy hűtőközegbe kerül át, amely elpárolog és egy turbinát hajt meg. Különleges fali elemekre is szükség van, amelyekben a neutronok a lítiumból a trícium hidrogénizotóp előállítására szolgálnak. „A falak hőmérsékletálló, rendkívül robusztus wolframötvényeinek formázásához lézeralapú additív gyártási eljárások kínálkoznak” – magyarázza Klein. A Fraunhofer ILT feltalálta, levédette a fém 3D nyomtatást, és azóta rendszerszerűen továbbfejleszti. A mesterséges intelligencia egyre fontosabb szerepet játszik, akárcsak az intézet által kitalált és levédett extrém nagy sebességű lézeres anyagbeépítés (EHLA) esetében. „Mindkét additív eljárás nagy potenciállal bír az erőműkomponensek gyártásában” – mondja.
Nem kevésbé relevánsak a lézerrel támogatott eljárások a tüzelőanyag-célok gyártásában. Amikor a fúziós erőművek 15 Hz-es üzemmódban naponta akár 1,3 milliószor is működésbe lépnek, a célok költségeit nagyságrendekkel centes összegre kell csökkenteni. Ezt a kihívást a Fraunhofer ILT kutatói is kezelik az „IFE-Targetry-HUB” projekt keretében. A fúziós kutatás során nagyon sok szál összefonódik, amelyeket az intézet az elmúlt évtizedekben felvett és tovább szőtt. Most megtérül ez az előkészítő munka. „Projektjeink a tipikus Fraunhofer munkaponton mozognak: arról van szó, hogy újragondoljuk a technológiákat, és átültessük őket a kutatásból a konkrét ipari alkalmazásba” – mondja a fúziós kutatási koordinátor.
A nagyenergiájú lézerek alapjaiban való megértése
Várhatóan a jövőbeli IFE-erőművek nagy energiasűrűségű lézerei több száz párhuzamos fénysugarat fognak tartalmazni. Ezekben több ezer nagy teljesítményű lézerdiódás blokk pumpálja a speciális üvegből vagy kristályból készült erősítőlemezeket, hogy a pulzusokat a gyújtáshoz szükséges energiaszintre erősítse. Az ilyen összetett lézerek nem valósíthatók meg próbálkozás és hiba módszerével. Sokkal inkább számítási módszerekre van szükség ahhoz, hogy azokat a prototípus gyártása előtt először virtuálisan teszteljék és optimalizálják. A komponensek, alrendszerek és végül a teljes nagy energiasűrűségű lézerek virtuális prototípusai lehetővé teszik a kutatók számára, hogy feltárják azok funkcióit, és a virtualizált működés során valósághűen szimulálják. A Fraunhofer ILT az utóbbi években fejlett lézerszimulációs modelleket valósított meg a DPSSL tervezéséhez, fejlesztéséhez és ipari méretűsítéséhez. Ezt most egy próbának vetik alá, amikor a »ICONIC-FL« projekt keretében összehasonlítják a LLNL hasonló megoldásaival.
Az amerikai intézet a nagyenergiájú lézerek szimulációjára és építésére specializálódott, míg a Fraunhofer ILT a nagy közepes teljesítményű DPSSL-re. Mindkét partner tehát kiegészítő szakértelmet hoz be. „A projekt célja nem az, hogy összevonjuk a szimulációs modelljeinket vagy kódot cseréljünk” - hangsúlyozza Johannes Weitenberg, a Fraunhofer ILT projektvezetője. Sokkal inkább szeretnének tanulni egymástól, és a következő DPSSL-generáció szimulációs eredményeit a fúziós erőművek számára kétszeresen is megerősíteni, azáltal, hogy a lézerdizájnt egy független keresztellenőrzésnek vetik alá. Ehhez mindketten a saját megoldásaikkal a nagyenergiájú lézerek erősítési szintjeit fogják szimulálni. E közben a komplex fizikai hatások mélyére akarnak ásni: „A 24/7-es üzemeltetés során a felfűtés, a törési hatások és az aberrációk torzíthatják a lézersugarat. Itt még a legkisebb hatások is számítanak, és hatékonyságvesztést vagy akár közvetlen optikai károsodást okozhatnak” - mondja Weitenberg. Pontosan meg akarják érteni, mi történik az egyes erősítőlemezekben, hogy később komplex lemezsorozatokat tudjanak szimulálni.
Végső soron a jelenlegi fúziós kutatás célja, hogy multidiszciplináris megközelítésekkel technológiai ugrásokat érjen el. A NIF példája megmutatja, mi lehetséges: a természettudományos és mérnöki tudás, valamint a szimulációs és mesterséges intelligencián alapuló folyamatoptimalizálás segítségével ott sikerült a fúzió energiafeleslegét az eredeti 1,5-szörösről a lézer által bevitt energia 4-szeresére növelni. Ezt a faktort most speciálisan az IFE-erőművekhez optimalizált nagyenergiájú lézerekkel 50-től 100-ig terjedő faktorra kell emelni.
A nagyenergiájú lézerek nemcsak a fúzió szempontjából érdekesek.
A nagyprojekt, a fúziós erőmű szoros együttműködést igényel az ipar és a kutatás között. Az állami támogatási programok technológiai alapokat teremthetnek, de hosszú távon a vállalatoknak kell befektetniük és ellátási láncokat kiépíteniük. Az innovációk esetében ez azt jelenti, hogy nemcsak a távoli célra, a fúziós erőműre, hanem más alkalmazási piacokra is irányulniuk kell. Például ahhoz, hogy a nagy teljesítményű lézerdiódák gyártási kapacitását kiépítsük, és költségeiket a szükséges szintre csökkentsük a skálahatások révén, új alkalmazásokat kell felfedezni. „Intézetünk több mint 40 éves tapasztalatával áll az ipar rendelkezésére” – mondja Klein.
Az első spillover-hatások már megjelennek. A PriFUSIO projektből egy új generációs szintetikus kvarclapok születtek, amelyek a fúzió mellett más nagy teljesítményű lézeralkalmazásokhoz is érdekesek a közeli infravörös tartományban – beleértve a lézervágást és -hegesztést. A Heraeus Covantics gyártási folyamatát mind a teljesítmény, mind a költségek szempontjából optimalizálta. Emellett nagyobb rugalmasságot kínál a lapméretek terén. Az új anyag rendkívül alacsony abszorpcióval és magas teljesítménysűrűséggel rendelkezik.
A fúzión kívül a nagy energialézerek iránt is van kereslet: A másodlagos források meghajtóiként új utakat kell nyitniuk az extrém ultraibolya (EUV), röntgen- vagy neutron sugárzás előállításához. Az ígéretes alkalmazások közé tartozik a kombinált röntgen- és neutronképalkotás, amelyet a Fraunhofer ILT jelenleg a PLANET projekt keretében fejleszt. Ez lehetővé teszi a zárt hordók és konténerek tartalmának optikai és anyagi elemzését a falukon keresztül. A lézersugárforrások kulcsfontosságúak ahhoz, hogy a szükséges részecskegyorsítókat miniaturizáljuk, és ezeket kompakt, a jövőben akár mobil eszközökbe integráljuk. „Sok minden, amin a fúziós kutatásban dolgozunk, releváns számos piac számára. Nem csak egy erőművön dolgozunk!” – hangsúlyozza Klein. A fúzió nagy lehetőséget jelent a lézer- és optikai ipar számára Németországban és Európában. Ha a lézerfúzió kereskedelmi sikere tovább tart, mint várták, az ipar a fúziós kutatás során elért technológiai ugrások révén új piacokat nyithat meg. Ha sikerül, akkor egyetlen erőműnek szüksége lesz a jelenlegi éves világtermelésre a nagy teljesítményű lézerdiódákból, valamint tízezernyi nagy optikára. Még a konzervatív becslések szerint is a lézervilágpiac jelenlegi forgalma drámaian megsokszorozódna.
Fúzió az AKL’26-on
Ilyen perspektívák fényében az AKL – Nemzetközi Lézertechnológiai Kongresszus (2026. április 22-24. Aachenben) különböző szekciókban foglalkozik a jövőbeli fúziós piac gazdasági és technológiai potenciáljával. A Gerd Herziger szekcióban 2026. április 23-án Prof. Constantin Häfner előadásában „Lézererő felszabadítva: Meghajtók a fúziós energia és ipari ökoszisztémák számára” aktuális betekintést nyújt a fúziós kutatás állásáról és a szükséges ellátási láncok státuszáról. A Fraunhofer Társaság kutatásért és átadásért felelős igazgatósága elismert fúziós szakértő, aki a LLNL nagy energialézer fejlesztéséért volt felelős, mielőtt a Fraunhofer ILT vezetőjeként és a szövetségi kormány tanácsadójaként fontos impulzusokat adott a fúziós kutatás számára Németországban. Ő is részt vesz a szekció pódiumán.
Ezt követően a 4. szekció, a Lézerfényforrások II mélyebb szakmai betekintést nyújt a fúzióhoz és másodlagos forrásokhoz szükséges nagyenergiájú lézerek fejlesztésébe. A 7. szekció - Lézerfényforrások III április 24-én, amely az ultrarövid impulzusú lézerekkel foglalkozik, Dr. Sarah Klein által vezetett slotja a 'Diódás lézer' című előadásban a jövő fúziós erőműveihez szükséges félvezető lézereket tárgyalja.
Kapcsolat:
