National Ignition Facility's tændingsmilepæl sætter gang i et nyt skub for laserfusion

I godt et årti har fysikere ved Lawrence Livermore National Laboratory i Californien har forsøgt at gøre noget i laboratoriet, som kun nogensinde havde fundet sted inde i sprænghovederne af brintbomber. Deres mål har været at bruge intense lysimpulser fra verdens største laser – 3.5 mia. National tændingsfacilitet (NIF) - at knuse små kapsler af brintbrændstof, så de exceptionelle temperaturer og tryk, der skabes deri, giver energiproducerende fusionsreaktioner. Indtil slutningen af ​​sidste år havde en række tekniske tilbageslag forhindret dem i at nå deres mål, kendt som ignition. Men lige efter kl. 1 den 5. december et større end normalt udbrud af neutroner i detektorerne omkring laserens fokus signalerede succes – reaktionerne i dette tilfælde har produceret mere end 1.5 gange den energi, de forbrugte.

Bedriften skabte overskrifter rundt om i verden og stimulerede både offentlighedens, politikernes og fusionseksperternes fantasi. Den amerikanske energiminister Jennifer Granholm hyldede den "skedemærkepræstation", mens Michael Campbell fra University of Rochester i USA beskrev resultatet som et "Wright Brothers-øjeblik" for fusionsforskning. Til Steven Rose fra Imperial College London, fjerner meddelelsen enhver vedvarende tvivl om, at så høje fusionsenergier er opnåelige. "Hvis du ikke får en energiforøgelse større end én, vil folk måske hævde, at du aldrig kan opnå det," siger han.

Resultatet fornyede optimismen om, at fusion endelig kunne muliggøre en ny kilde til ren, sikker, sikker og bæredygtig energi. Nu søger regeringer og især private virksomheder at udnytte det enorme potentiale ved fusionsenergi – med nogle virksomheder, der endda lover, at de vil levere elektricitet til nettet fra pilotkraftværker i begyndelsen af ​​det næste årti.

Nogle videnskabsmænd mener dog, at sådanne tidsskalaer er urealistiske i betragtning af de enorme tekniske forhindringer, der stadig er på vejen mod fusionsenergi. Andre hævder, at en tidshorisont på 10-15 år er mulig, så længe forskere og deres finansiører tager den rigtige tankegang. Til Troy Carter ved University of California, Los Angeles, betyder det, at man stopper afhængigheden af ​​store, dyre, centraliserede faciliteter som f.eks. fodboldstadionstørrelsen NIF og i stedet vende sig til mindre, billigere projekter ledet af den mere risikotolerante private sektor. "Vi er nødt til at ændre den måde, vi driver forretning på," siger han.

Endelig i mål

Udnyttelse af den energi, der afgives, når lette kerner smelter sammen, kræver, at kernebrændstoffet holdes i form af et plasma ved temperaturer på omkring 100 millioner kelvin. En måde at gøre dette på er at begrænse plasmaet i et magnetfelt i ret lange perioder, mens det opvarmes med radiobølger eller partikelstråler. Hidtil har en sådan "magnetisk indeslutning" været fysikeres foretrukne vej til fusionsenergi. Dette vil blive brugt i både verdens dyreste offentlige og private reaktorer: $20+ mia. ITER anlæg under opførelse i det sydlige Frankrig og en maskine bygget af virksomheden Commonwealth Fusion Systems uden for Boston, USA, som indtil videre har rejst mindst 2 mia. USD i finansiering.

I stedet for at forsøge at opnå en stabil tilstand, fungerer "inertial indeslutning"-reaktorer lidt som en forbrændingsmotor - genererer energi gennem en gentagen cyklus af eksplosioner, der flygtigt skaber enorme temperaturer og tryk. NIF gør dette ved at forstærke og fokusere 192 laserstråler på en lille hul metalcylinder, i hvis centrum er en peberkorn-størrelse kapsel indeholdende brintisotoperne deuterium og tritium. Røntgenstråler genereret fra cylinderens vægge sprænger kapslens ydre overflade og tvinger resten af ​​den indad takket være bevaring af momentum og får deuterium- og tritiumkernerne i den til at smelte sammen - i processen frigives alfapartikler (heliumkerner) ), neutroner og masser af energi.

Denne proces er ekstremt krævende og kræver usædvanlig præcis strålefokusering og ultraglatte kapsler for at sikre de næsten perfekt symmetriske implosioner, der er nødvendige for fusion. Faktisk betød ustabiliteter i plasmaet blandt andet skabt af implosionerne og defekterne i kapslerne, at Livermore-forskerne kom langt fra deres oprindelige mål om antændelse (eller "breakeven") i 2012. Men gennem en række omhyggelige målinger på successive laserskud var de i stand til gradvist at forfine deres eksperimentelle opsætning og i sidste ende affyre det historiske skud – hvilket gav 3.15 millioner joule (MJ) fusionsenergi efter at have leveret 2.05 MJ laserenergi til målet.

Omar Hurricane, chefforsker for Livermores inerti-indeslutning fusionsprogram, siger, at de nu planlægger at "omprioritere" deres arbejde for at presse på for højere, reproducerbare gevinster ved at booste NIF's laserenergi i trin på omkring 0.2 MJ. De har også til hensigt at studere effekten af ​​at variere tykkelsen af ​​det nukleare brændsel inde i kapslerne og reducere størrelsen af ​​cylinderens laserindgangshuller. Han påpeger dog, at NIF aldrig blev designet til at demonstrere praktisk fusionsenergi – i betragtning af at anlæggets hovedformål er at levere eksperimentelle data til støtte for USA's (ikke længere testede) lager af atomvåben. Som sådan er NIF ekstremt ineffektiv – dens 2 MJ flash-lampepumpede laser kræver omkring 400 MJ elektrisk energi, hvilket svarer til en "wall-plug" effektivitet på kun 0.5 %.

National Ignition Facility demonstrerer netto fusionsenergigevinst i verdens første

Riccardo Betti fra University of Rochester siger, at moderne lasere pumpet af dioder kan nå op på effektiviteter helt op til 20 %, men påpeger, at de nødvendige marginer til kraftværker (inklusive energi tabt under konvertering af varme til elektricitet) betyder, at selv disse enheder vil have behov for målgevinster på "mindst 50– 100” (i forhold til NIFs 1.5). De skal også "skyde" flere gange i sekundet, mens NIF kun genererer et skud cirka én gang om dagen. Denne høje gentagelsesrate ville kræve masseproducerede mål, der højst koster nogle få titusinder af cent, sammenlignet med de hundredtusindvis af dollars, der er nødvendige for dem hos NIF (som er lavet af guld og syntetisk diamant).

Ind på markedet

Et selskab, der mener, at det kan kommercialisere fusionsenergi på trods af alle forhindringer, er et Californien-baseret firma Longview Fusion Energy Systems. Longview, der blev oprettet i 2021 af flere tidligere Livermore-forskere, herunder den tidligere NIF-direktør Edward Moses, sigter mod at kombinere NIF's måldesign med diodepumpede solid-state lasere. Selskabet annoncerede sin eksistens samme dag, som Livermore rapporterede NIF's rekordstore skud, og sagde, at det planlagde at begynde at bygge et pilotkraftværk inden for de næste fem år.

Longview siger, at det har til hensigt at levere 50 MW elektricitet til nettet senest i 2035. Virksomheden erkender, at dette ikke vil være let, idet de forventer en lasereffektivitet og gentagelseshastighed på henholdsvis 18 % og 10–20 Hz. Det siger især, at selvom de nødvendige dioder allerede eksisterer, er de "endnu ikke blevet pakket ind i en integreret beamline til en laser i fusionsskala". Men det er fortsat overbevist om, at det kan overholde sin deadline, og bemærker, at laseren er inden for en faktor på to af den optiske skadestærskel, der er nødvendig for pilotanlægget.

Ikke alle er overbeviste. Stephen Bodner, tidligere leder af laserfusionsprogrammet ved US Naval Research Laboratory i Washington DC, fastholder, at NIFs "indirect-drive"-teknologi spilder for meget energi på at generere røntgenstråler (i stedet for at belyse brændstofkapsler direkte). Han er også skeptisk over for Longviews påstand om, at det kan reducere målomkostningerne til under $0.30 ved at sprede de betydelige ingeniør- og kapitaludgifter over de 500 millioner mål, som det siger, at det skal bruge til sit pilotanlæg. "Der er ingen mulig måde for et fusionsmål som det, der bruges på NIF, nogensinde at blive forbedret nok til kommerciel fusionsenergi," siger han.

National Ignition Facility's laser-fusion milepæl antænder debat

Alligevel er Longview langt fra alene om at tro, at det har teknologien ved hånden til at bringe fusionsenergi til verden. En rapport udarbejdet sidste år ved Fusion Industry Association handelsorganet opregner 33 virksomheder i USA og andre steder, som arbejder med fusionsteknologi – hvoraf mange også har aggressive tidsplaner for udvikling af kraftværker. Et sådant firma er Første lys, baseret i nærheden af ​​Oxford, UK. I stedet for at bruge laserimpulser til at komprimere brændstofkapsler, affyrer First Light i stedet materialeprojektiler – frimærkeformede metalstykker – ved ekstremt høje hastigheder ved hjælp af den elektromagnetiske kraft fra en enorm bank af kondensatorer, der alle aflades næsten øjeblikkeligt. Projektilerne rammer specialfremstillede mål, som hver især styrer og forstærker stødtrykket på en brændstofkapsel, der er indlejret indeni.

Virksomheden har indtil videre rejst omkring £80 mio. i finansiering og demonstreret fusion ved hjælp af det største pulserende kraftværk i Europa. De næste skridt vil ifølge medstifter og administrerende direktør Nicholas Hawker være at demonstrere tænding med en meget større maskine om omkring fem år og derefter et pilotanlæg i "begyndelsen til midten af ​​2030'erne". Hawker indrømmer, at der ligger adskillige udfordringer forude – såsom at kunne lade projektiler efter hinanden og udvikle passende robuste højspændingsafbrydere – men han er overbevist om, at ordningens fysik er solid. "Brændstofkapslen er nøjagtig den samme som NIF's, så det seneste resultat reducerer også vores system massivt." 

Kræver kontanter

Når det kommer til fysik, mener Betti, at inertial indeslutningsfusion er bedre placeret end magnetisk indeslutning. Mens NIF nu har påvist, at førstnævnte kan generere selvopretholdende reaktioner, argumenterer han for, at ustabiliteter, der er genereret tæt på tændingstærsklen, betyder, at der stadig er stor usikkerhed om, hvorvidt tokamaks kan følge trop. Ikke desto mindre siger han, at begge former for fusion skal overvinde formidable forhindringer, hvis de skal give økonomisk-konkurrencedygtig energi - herunder demonstration af høje gevinster fra masseproducerede mål, når det kommer til laserfusion. "Jeg har svært ved at tro, at et energisystem kan være klar om 10 år," siger han.

NIF-forskere gjorde et fremragende stykke arbejde i løbet af det sidste årti med at løse nogle meget vanskelige fysikproblemer. De bør anerkendes for deres store arbejde

Stephen Bodner

Carter er mere optimistisk. Han fastholder, at pilotanlæg kan realiseres om omkring et årti, så længe private virksomheder fører an i deres konstruktion, mens regeringer støtter mere grundlæggende underbyggende forskning, såsom forskningen om strålingsbestandige materialer. Men han advarer om, at den nødvendige finansiering vil være betydelig - omkring 500 millioner dollars ekstra om året i tilfældet med den amerikanske regering. Hvis pengene kommer, tilføjer han, kan fuldskala kommercielle anlæg så tænde "snarere end 2050".

Med hensyn til hvilken teknologi der vil ende inde i fabrikkerne, insisterer Bodner på, at den ikke vil være baseret på indirekte drift. Mest sandsynligt, fastholder han, vil det være inerti indeslutning baseret på en anden slags lasersystem såsom argon-fluorid gaslasere. Men han erkender, at opskalering af ethvert system medfører usikkerhed. Og han roser NIF-forskerne for at få fusionsforskningen til dette punkt. "De gjorde et fremragende stykke arbejde i løbet af det sidste årti med at løse nogle meget vanskelige fysikproblemer," siger han. "De bør anerkendes for deres store arbejde."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/