National Ignition Facility's laser-fusion milepæl antænder debat

Den 8. august sidste år brugte fysikere ved Lawrence Livermore National Laboratory i USA verdens største laser til at udføre et rekordstort eksperiment. Anvender de 192 bjælker af $3.5 mia National tændingsfacilitet (NIF) for at implodere en kapsel på størrelse med peberkorn indeholdende deuterium og tritium, fik de de to brintisotoper til at smelte sammen, hvilket genererede en selvopretholdende fusionsreaktion i en brøkdel af et sekund. Med processen, der afgiver over 70% af den energi, der bruges til at drive laseren, antydede opdagelsen, at gigantiske lasere endnu kunne muliggøre en ny kilde til sikker, ren og i det væsentlige ubegrænset energi.

Resultatet bragte forskere ved Livermore-laboratoriet i en festlig stemning efter at have kæmpet i mere end et årti for at gøre betydelige fremskridt. Men den indledende spænding forsvandt hurtigt, da flere efterfølgende forsøg på at genskabe præstationen mislykkedes – og mønstrede i bedste fald kun halvdelen af ​​det rekordstore output. Da Livermore-ledelsen havde besluttet kun at prøve en håndfuld gentagne eksperimenter, satte laboratoriet sin søgen efter break-even i bero og forsøgte i stedet at finde ud af, hvad der forårsagede variationen i output.

For kritikere af NIF kom den seneste kurskorrektion ikke som nogen overraskelse, idet den tilsyneladende endnu en gang illustrerer anlæggets uegnethed som testbed for robust fusionsenergiproduktion. Men mange videnskabsmænd forbliver optimistiske, og NIF-forskerne er selv kommet ud i kampene og har for nylig offentliggjort resultatet fra deres rekordstore skud i Physical Review Letters (129 075001). De insisterer på, at de trods alt har opnået "antændelse", og nået det punkt, hvor opvarmning fra fusionsreaktionerne opvejer afkøling, hvilket skaber en positiv feedback-loop, der hurtigt øger plasmatemperaturen.

Omar Hurricane, chefforsker for Livermores fusionsprogram, fastholder, at denne fysikbaserede definition af tænding – snarere end den simple "energi breakeven" beskrivelse – er den, der virkelig tæller. Han beskriver den endelige opnåelse af breakeven som "den næste PR-begivenhed" og siger ikke desto mindre, at det fortsat er en vigtig milepæl, som han og hans kolleger ønsker at nå. Faktisk er fysikere fra andre steder end Livermore-laboratoriet overbeviste om, at det meget omdiskuterede mål vil blive ramt. Steven Rose på Imperial College i Storbritannien mener, at "der er alle udsigter" vil blive opnået breakeven.

Rekordgevinst

Forsøg på at udnytte fusion involverer opvarmning af et plasma af lette kerner til det punkt, hvor disse kerner overvinder deres gensidige frastødning og kombineres for at danne et tungere element. Processen giver nye partikler – i tilfælde af deuterium og tritium, heliumkerner (alfapartikler) og neutroner – samt enorme mængder energi. Hvis plasmaet kan holdes ved passende enorme temperaturer og tryk længe nok, bør alfapartiklerne give tilstrækkelig varme til at opretholde reaktionerne på egen hånd, mens neutronerne potentielt kan opsnappes for at drive en dampturbine.

Fusion tokamakker bruger magnetiske felter til at begrænse plasmaer over ret lange perioder. NIF, som en "inertial-indeslutning"-enhed, udnytter i stedet de ekstreme forhold, der skabes for et flygtigt øjeblik inde i en lille mængde meget komprimeret fusionsbrændstof, før det udvider sig igen. Brændstoffet placeres inde i en kugleformet kapsel med en diameter på 2 mm, som er placeret i midten af ​​et cirka 1 cm langt cylindrisk metal "hohlraum" og imploderer, når NIF's præcist rettede laserstråler rammer indersiden af ​​hohlraumen og genererer en oversvømmelse af Røntgenstråler.

I modsætning til tokamaks var NIF ikke designet primært til at demonstrere energi, men i stedet tjene som kontrol af de computerprogrammer, der blev brugt til at simulere eksplosioner af atomvåben – i betragtning af at USA stoppede live-testning i 1992. Men efter at have tændt i 2009 det snart blev tydeligt, at de programmer, der blev brugt til at styre dets egne operationer, havde undervurderet de involverede vanskeligheder, især når de håndterede plasmaustabiliteter og skabte passende symmetriske implosioner. Da NIF missede sit oprindelige mål om at opnå antændelse inden 2012, lagde den amerikanske nationale nuklearsikkerhedsadministration, som fører tilsyn med laboratoriet, dette mål til side for at koncentrere sig om den tidskrævende opgave med bedre at forstå implosionsdynamikken.

I begyndelsen af ​​2021, efter en række eksperimentelle modifikationer, viste Hurricane og kolleger endelig, at de kunne bruge laseren til at skabe det, der er kendt som et brændende plasma - hvor varmen fra alfapartikler overstiger den eksterne energiforsyning. De lavede derefter en række yderligere tweaks, herunder krympning af hohlraums laserindgangshuller og sænkning af laserens maksimale effekt. Effekten var at flytte noget af røntgenenergien til senere i skuddet, hvilket hævede den kraft, der blev overført til atombrændstoffet - og skubbede det højt nok til at overgå de strålings- og ledende tab.

I august 2021 optog NIF-forskere deres skelsættende "N210808"-skud. Hotspottet i midten af ​​brændstoffet havde i dette tilfælde en temperatur på omkring 125 millioner kelvin og et energiudbytte på 1.37 MJ – omkring otte gange højere end deres tidligere bedste resultat, opnået tidligere på året. Dette nye udbytte indebar en "målforstærkning" på 0.72 - sammenlignet med laserens 1.97 MJ output - og en "kapselforstærkning" på 5.8, når man i stedet overvejer den energi, der absorberes af kapslen. 

Endnu vigtigere, hvad angår Hurricane, opfyldte eksperimentet også det, der er kendt som Lawson-kriteriet for antændelse. Først udarbejdet af ingeniør og fysiker John Lawson i 1955, dette fastlægger de betingelser, hvor fusion selvopvarmning vil overstige den energi tabt via ledning og stråling. Hurricane siger, at NIF-resultaterne opfyldte ni forskellige formuleringer af kriteriet for inertial indeslutningsfusion, og derved demonstrerede tænding "uden tvetydighed".

Tre skud og du er ude

Efter det rekordstore skud var Hurricane og nogle af hans videnskabskolleger ved NIF ivrige efter at gentage deres succes. Men laboratoriets ledelse var ikke så entusiastiske. Ifølge Mark Herrmann, daværende Livermores vicedirektør for grundlæggende våbenfysik, blev der nedsat flere arbejdsgrupper i kølvandet på N210808 for at vurdere de næste skridt. Han fortæller, at et ledelsesteam bestående af omkring 10 eksperter i inertial indeslutning samlede disse resultater og udarbejdede en plan, som det præsenterede i september.

Herrmann siger, at planen indeholdt tre dele - forsøg på at gengive N210808; at analysere de eksperimentelle forhold, der muliggjorde det rekordstore skud; og forsøger at opnå "robuste megajoule-udbytter". Diskussionen af ​​det første punkt involverede, hvad Herrmann beskriver som "en lang række meninger" blandt de omkring 100 videnskabsmænd, der arbejder på fusionsprogrammet. I sidste ende, givet "begrænsede ressourcer" og et begrænset antal mål i partiet, der indeholder N210808, siger han, at ledelsesteamet nøjedes med blot tre ekstra skud.

Hurricane har en lidt anden erindring og siger, at der var fire gentagelser. Disse eksperimenter, siger han, blev udført over en periode på omkring tre måneder og opnåede udbytter, der varierede fra mindre end en femtedel til omkring halvdelen af ​​det, der blev opnået i august. Men han fastholder, at disse billeder stadig var "meget gode eksperimenter", og tilføjer, at de også opfyldte nogle formuleringer af Lawson-kriteriet. Forskellen i ydeevne, siger han, er "ikke så binær, som folk har fremstillet".

Plasma-coating-processen er en opskrift, så ligesom at bage brød kommer det ikke helt ens ud hver gang

Omar orkan

Med hensyn til, hvad der forårsagede denne enorme variation i produktionen, siger Herrmann, at den førende hypotese er hulrum og fordybninger i brændstofkapslerne, som er lavet af industriel diamant. Han forklarer, at disse ufuldkommenheder kan forstærkes under implosionsprocessen, hvilket får diamanten til at komme ind i hot spot. Da kulstof har et højere atomnummer end deuterium eller tritium, kan det udstråle meget mere effektivt, hvilket afkøler hot spot og sænker ydeevnen. 

Hurricane er enig i, at diamanten sandsynligvis spiller en vigtig rolle i at variere skud-til-slag-ydelsen. Han påpeger, at der kan forventes store variationer i output i betragtning af ikke-lineariteten af ​​NIF's implosioner, og han siger, at de involverede forskere ikke fuldt ud forstår plasma-coating-processen, der bruges under fremstillingen af ​​kapslerne. "Det er en opskrift," siger han, "så ligesom at bage brød kommer det ikke helt ens ud hver gang."

Vejen til fusionsenergi

Hurricane siger, at holdet nu undersøger flere måder at hæve NIF's output ud over at forbedre kapselkvaliteten. Disse omfatter ændring af kapseltykkelsen, ændring af størrelsen eller geometrien af ​​hohlraumen eller muligvis forøgelse af laserpulsenergien til omkring 2.1 MJ for at sænke den præcision, der kræves for målet. Han siger, at der ikke er noget magisk tal, når det kommer til målgevinsten, men tilføjer, at jo højere gevinsten er, desto større er parameterpladsen, der kan udforskes, når man laver lagerstyring. Han påpeger også, at en gevinst på 1 ikke betyder, at anlægget genererer nettoenergi i betragtning af, hvor lidt af den indkommende elektriske energi, laseren omdanner til lys på målet - i tilfælde af NIF, mindre end 1%.

Den lange vej til tænding

Michael Campbell fra University of Rochester i USA regner med, at NIF kunne opnå en gevinst på mindst 1 "i løbet af de næste 2-5 år", givet tilstrækkelige forbedringer af hohlraum og mål. Men han argumenterer for, at at komme op på kommercielt relevante gevinster på 50-100 sandsynligvis ville kræve et skift fra NIF's "indirekte drev", som genererer røntgenstråler for at komprimere målet, til det potentielt mere effektive, men vanskeligere "direkte drev", der er afhængig af selve laserstrålingen.

På trods af de adskillige milliarder dollars, der sandsynligvis vil blive brug for, er Campbell optimistisk om, at en passende direkte-drev-facilitet kan demonstrere sådanne gevinster i slutningen af ​​2030'erne - især, siger han, hvis den private sektor er involveret. Men han advarer om, at kommercielle kraftværker formentlig ikke ville begynde at fungere før i det mindste midt i århundredet. "Fusionsenergi er på lang sigt," siger han, "jeg tror, ​​folk skal være realistiske omkring udfordringerne."