Το ορόσημο ανάφλεξης του National Ignition Facility πυροδοτεί νέα ώθηση για σύντηξη λέιζερ

Για πάνω από μια δεκαετία, οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια προσπαθούσαν να κάνουν κάτι στο εργαστήριο που είχε συμβεί μόνο στο παρελθόν μέσα στις κεφαλές των βομβών υδρογόνου. Στόχος τους ήταν να χρησιμοποιήσουν έντονους παλμούς φωτός από το μεγαλύτερο λέιζερ του κόσμου – τα 3.5 δισεκατομμύρια δολάρια Εθνική εγκατάσταση ανάφλεξης (NIF) – για να συνθλίψει μικροσκοπικές κάψουλες καυσίμου υδρογόνου έτσι ώστε οι εξαιρετικές θερμοκρασίες και πιέσεις που δημιουργούνται σε αυτές να αποδίδουν αντιδράσεις σύντηξης που παράγουν ενέργεια. Μέχρι το τέλος του περασμένου έτους, μια σειρά από τεχνικές αναποδιές τους είχαν εμποδίσει να φτάσουν στον στόχο τους, γνωστό ως ανάφλεξη. Αλλά λίγο μετά τη 1 π.μ. στις 5 Δεκεμβρίου, μια μεγαλύτερη από το συνηθισμένο έκρηξη νετρονίων στους ανιχνευτές που περιβάλλουν την εστία του λέιζερ σηματοδότησε την επιτυχία – οι αντιδράσεις σε αυτή την περίπτωση έχουν παραγάγει περισσότερο από 1.5 φορές την ενέργεια που κατανάλωσαν.

Το κατόρθωμα δημιούργησε πρωτοσέλιδα σε όλο τον κόσμο και κέντρισε τη φαντασία του κοινού, των πολιτικών και των ειδικών του fusion. Η υπουργός Ενέργειας των ΗΠΑ Τζένιφερ Γκράνχολμ χαιρέτισε το «ορόσημο επίτευγμα», ενώ Μάικλ Κάμπελ του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ στις ΗΠΑ περιέγραψε το αποτέλεσμα ως «στιγμή των αδελφών Ράιτ» για την έρευνα σύντηξης. Για Στίβεν Ρόουζ του Imperial College του Λονδίνου, η ανακοίνωση αφαιρεί κάθε αμφιβολία ότι τέτοιες υψηλές ενέργειες σύντηξης είναι εφικτές. «Αν δεν λάβετε ενεργειακό κέρδος μεγαλύτερο από ένα, οι άνθρωποι μπορεί να ισχυριστούν ότι δεν μπορείτε ποτέ να το πετύχετε», λέει.

Το αποτέλεσμα ανανέωσε την αισιοδοξία ότι η σύντηξη θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει μια νέα πηγή καθαρής, ασφαλούς, ασφαλούς και βιώσιμης ενέργειας. Τώρα, οι κυβερνήσεις και ιδιαίτερα οι ιδιωτικές εταιρείες προσπαθούν να εκμεταλλευτούν τις τεράστιες δυνατότητες της ενέργειας σύντηξης – με ορισμένες εταιρείες να υπόσχονται ακόμη και ότι θα παραδώσουν ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο από πιλοτικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής μέχρι τις αρχές της επόμενης δεκαετίας.

Ορισμένοι επιστήμονες, ωστόσο, εκτιμούν ότι τέτοια χρονοδιαγράμματα δεν είναι ρεαλιστικά, δεδομένων των τεράστιων τεχνικών εμποδίων που παραμένουν στο δρόμο προς την ενέργεια σύντηξης. Άλλοι υποστηρίζουν ότι ένας χρονικός ορίζοντας 10-15 ετών είναι εφικτός, εφόσον οι ερευνητές και οι χρηματοδότες τους υιοθετήσουν τη σωστή νοοτροπία. Για Troy Carter στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες, αυτό σημαίνει τον τερματισμό της εξάρτησης από μεγάλες, δαπανηρές, κεντρικές εγκαταστάσεις όπως το NIF μεγέθους γηπέδου ποδοσφαίρου και αντ 'αυτού να στραφούμε σε μικρότερα, φθηνότερα έργα με επικεφαλής τον πιο ανεκτικό στον κίνδυνο ιδιωτικό τομέα. «Πρέπει να αλλάξουμε τον τρόπο που κάνουμε επιχειρήσεις», λέει.

Επιτέλους στο στόχο

Η αξιοποίηση της ενέργειας που εκπέμπεται κατά τη σύντηξη των ελαφρών πυρήνων απαιτεί το πυρηνικό καύσιμο να συγκρατείται με τη μορφή πλάσματος σε θερμοκρασίες περίπου 100 εκατομμυρίων kelvin. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να περιοριστεί το πλάσμα σε ένα μαγνητικό πεδίο για αρκετά μεγάλες χρονικές περιόδους ενώ το θερμαίνει με ραδιοκύματα ή δέσμες σωματιδίων. Μέχρι στιγμής, ένας τέτοιος «μαγνητικός περιορισμός» ήταν η προτιμώμενη διαδρομή των φυσικών προς την ενέργεια σύντηξης. Αυτό θα χρησιμοποιηθεί τόσο στους ακριβότερους δημόσιους όσο και στους ιδιωτικούς αντιδραστήρες του κόσμου: τα $20+δις ITER εγκατάσταση υπό κατασκευή στη νότια Γαλλία και ένα μηχάνημα που κατασκεύασε η εταιρεία Κοινοπολιτειακά συστήματα σύντηξης έξω από τη Βοστώνη των ΗΠΑ, η οποία μέχρι στιγμής έχει συγκεντρώσει τουλάχιστον 2 δισ. δολάρια σε χρηματοδότηση.

Αντί να προσπαθούν να επιτύχουν μια σταθερή κατάσταση, οι αντιδραστήρες «αδρανειακού περιορισμού» λειτουργούν κάπως σαν μια μηχανή εσωτερικής καύσης – παράγοντας ενέργεια μέσω ενός επαναλαμβανόμενου κύκλου εκρήξεων που δημιουργούν φευγαλέα τεράστιες θερμοκρασίες και πιέσεις. Το NIF το κάνει αυτό ενισχύοντας και εστιάζοντας 192 ακτίνες λέιζερ σε έναν μικροσκοπικό κοίλο μεταλλικό κύλινδρο στο κέντρο του οποίου βρίσκεται μια κάψουλα σε μέγεθος κόκκου πιπεριού που περιέχει τα ισότοπα υδρογόνου δευτέριο και τρίτιο. Οι ακτίνες Χ που παράγονται από τα τοιχώματα του κυλίνδρου εκτοξεύονται από την εξωτερική επιφάνεια της κάψουλας, αναγκάζοντας το υπόλοιπο μέρος της προς τα μέσα χάρη στη διατήρηση της ορμής και προκαλώντας τη σύντηξη των πυρήνων δευτερίου και τριτίου μέσα σε αυτό - κατά τη διαδικασία απελευθερώνοντας σωματίδια άλφα (πυρήνες ηλίου ), νετρόνια και πολλή ενέργεια.

Αυτή η διαδικασία είναι εξαιρετικά απαιτητική, καθώς απαιτεί εξαιρετικά ακριβή εστίαση δέσμης και εξαιρετικά λείες κάψουλες για τη διασφάλιση των σχεδόν απόλυτα συμμετρικών εκρήξεων που απαιτούνται για τη σύντηξη. Πράγματι, οι αστάθειες στο πλάσμα που δημιουργήθηκαν από τις εκρήξεις και τα ελαττώματα στις κάψουλες, μεταξύ άλλων, σήμαιναν ότι οι ερευνητές του Livermore δεν πέτυχαν τον αρχικό τους στόχο ανάφλεξης (ή «σπάσιμο») μέχρι το 2012. Αλλά μέσω μιας σειράς επίπονων μετρήσεων Σε διαδοχικές βολές λέιζερ μπόρεσαν να βελτιώσουν σταδιακά την πειραματική τους διάταξη και τελικά να πυροβολήσουν την ιστορική βολή - αποδίδοντας 3.15 εκατομμύρια joules (MJ) ενέργειας σύντηξης μετά την παροχή 2.05 MJ ενέργειας λέιζερ στον στόχο.

Ο Omar Hurricane, επικεφαλής επιστήμονας του προγράμματος σύντηξης αδράνειας-περιορισμού του Livermore, λέει ότι τώρα σχεδιάζουν να «προτεραιοποιήσουν ξανά» τη δουλειά τους για να πιέσουν για υψηλότερα, αναπαραγώγιμα κέρδη ενισχύοντας την ενέργεια λέιζερ του NIF σε βήματα περίπου 0.2 MJ. Σκοπεύουν επίσης να μελετήσουν την επίδραση της μεταβολής του πάχους του πυρηνικού καυσίμου μέσα στις κάψουλες και τη μείωση του μεγέθους των οπών εισόδου του λέιζερ του κυλίνδρου. Ωστόσο, επισημαίνει ότι το NIF δεν σχεδιάστηκε ποτέ για να επιδεικνύει πρακτική ενέργεια σύντηξης – δεδομένου ότι ο κύριος σκοπός της εγκατάστασης είναι η παροχή πειραματικών δεδομένων για την υποστήριξη του (μη δοκιμασμένου πλέον) αποθέματος πυρηνικών όπλων των ΗΠΑ. Ως εκ τούτου, το NIF είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικό – το λέιζερ που αντλείται από λάμπα φλας 2 MJ απαιτεί περίπου 400 MJ ηλεκτρικής ενέργειας, που ισοδυναμεί με απόδοση «πρίζας τοίχου» μόλις 0.5%.

Η Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης καταδεικνύει το καθαρό κέρδος ενέργειας σύντηξης παγκοσμίως

Riccardo Betti του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ λέει ότι τα σύγχρονα λέιζερ που αντλούνται από διόδους θα μπορούσαν να φτάσουν την απόδοση έως και το 20%, αλλά επισημαίνει ότι τα περιθώρια που απαιτούνται για τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής (συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας που χάνεται κατά τη μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια) σημαίνει ότι ακόμη και αυτές οι συσκευές θα χρειαστούν κέρδη στόχου «τουλάχιστον 50- 100” (σε σύγκριση με το 1.5 του NIF). Θα πρέπει επίσης να "πυροβολούν" αρκετές φορές το δευτερόλεπτο, ενώ το NIF παράγει μόνο μια βολή περίπου μία φορά την ημέρα. Αυτός ο υψηλός ρυθμός επανάληψης θα απαιτούσε στόχους μαζικής παραγωγής που κοστίζουν το πολύ μερικές δεκάδες σεντς, σε σύγκριση με τις εκατοντάδες χιλιάδες δολάρια που χρειάζονται για αυτούς του NIF (που είναι κατασκευασμένοι από χρυσό και συνθετικό διαμάντι).

Είσοδος στην αγορά

Μια εταιρεία που πιστεύει ότι μπορεί να εμπορευματοποιήσει την ενέργεια σύντηξης παρά όλα τα εμπόδια είναι μια εταιρεία με έδρα την Καλιφόρνια Longview Fusion Energy Systems. Το Longview δημιουργήθηκε το 2021 από αρκετούς πρώην επιστήμονες του Livermore, συμπεριλαμβανομένου του πρώην διευθυντή του NIF, Edward Moses, και στοχεύει να συνδυάσει το σχέδιο στόχου του NIF με λέιζερ στερεάς κατάστασης που αντλούνται από διόδου. Η εταιρεία ανακοίνωσε την ύπαρξή της την ίδια ημέρα που η Livermore ανέφερε το ρεκόρ της NIF, λέγοντας ότι σχεδίαζε να ξεκινήσει την κατασκευή ενός πιλοτικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια.

Η Longview λέει ότι σκοπεύει να παρέχει 50 MW ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο μέχρι το 2035 το αργότερο. Η εταιρεία αναγνωρίζει ότι αυτό δεν θα είναι εύκολο, προβλέποντας απόδοση λέιζερ και ποσοστό επανάληψης 18% και 10–20 Hz αντίστοιχα. Συγκεκριμένα, αναφέρει ότι ενώ οι απαραίτητες δίοδοι υπάρχουν ήδη, «δεν έχουν ακόμη συσκευαστεί σε μια ενσωματωμένη γραμμή δέσμης για ένα λέιζερ κλίμακας σύντηξης». Ωστόσο, παραμένει σίγουρη ότι μπορεί να τηρήσει την προθεσμία του, σημειώνοντας ότι το λέιζερ βρίσκεται εντός ενός συντελεστή δύο από το όριο βλάβης οπτικών που απαιτείται για το πιλοτικό εργοστάσιο.

Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι. Ο Stephen Bodner, προηγουμένως επικεφαλής του προγράμματος σύντηξης λέιζερ στο Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο των ΗΠΑ στην Ουάσιγκτον, υποστηρίζει ότι η τεχνολογία «έμμεσης κίνησης» του NIF σπαταλά υπερβολική ενέργεια για τη δημιουργία ακτίνων Χ (αντί να φωτίζει απευθείας τις κάψουλες καυσίμου). Είναι επίσης δύσπιστος για τον ισχυρισμό της Longview ότι μπορεί να μειώσει το κόστος-στόχο κάτω από 0.30 $, κατανέμοντας τις σημαντικές δαπάνες μηχανικής και κεφαλαίου στα 500 εκατομμύρια στόχους που λέει ότι θα χρειαστεί για το πιλοτικό της εργοστάσιο. «Δεν υπάρχει δυνατός τρόπος για έναν στόχο σύντηξης όπως αυτός που χρησιμοποιείται στο NIF να βελτιωθεί αρκετά για εμπορική ενέργεια σύντηξης», λέει.

Το ορόσημο σύντηξης λέιζερ της Εθνικής Εγκατάστασης Ανάφλεξης πυροδοτεί τη συζήτηση

Ωστόσο, η Longview απέχει πολύ από το να πιστεύει ότι έχει την τεχνολογία στη διάθεσή της για να φέρει την ενέργεια σύντηξης στον κόσμο. Έκθεση που συντάχθηκε πέρυσι από το Σύνδεσμος Βιομηχανίας Σύντηξης Ο εμπορικός οργανισμός απαριθμεί 33 εταιρείες στις ΗΠΑ και αλλού που εργάζονται στην τεχνολογία σύντηξης – πολλές από τις οποίες έχουν επίσης επιθετικά χρονοδιαγράμματα για την ανάπτυξη σταθμών παραγωγής ενέργειας. Μια τέτοια εταιρεία είναι Πρώτο φως, με έδρα κοντά στην Οξφόρδη, Ηνωμένο Βασίλειο. Αντί να χρησιμοποιεί παλμούς λέιζερ για να συμπιέζει κάψουλες καυσίμου, το First Light εκτοξεύει υλικά βλήματα – κομμάτια μετάλλου σε σχήμα γραμματοσήμου – σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες χρησιμοποιώντας την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που παρέχεται από μια τεράστια ομάδα πυκνωτών που εκφορτίζονται σχεδόν ακαριαία. Τα βλήματα χτυπούν ειδικά κατασκευασμένους στόχους, καθένας από τους οποίους κατευθύνει και ενισχύει την πίεση πρόσκρουσης σε μια κάψουλα καυσίμου που είναι ενσωματωμένη στο εσωτερικό.

Η εταιρεία μέχρι στιγμής έχει συγκεντρώσει περίπου 80 εκατομμύρια £ σε χρηματοδότηση και έχει επιδείξει τη σύντηξη χρησιμοποιώντας τη μεγαλύτερη εγκατάσταση παλμικής ισχύος στην Ευρώπη. Τα επόμενα βήματα, σύμφωνα με τον συνιδρυτή και διευθύνοντα σύμβουλο Nicholas Hawker, θα είναι η επίδειξη ανάφλεξης με ένα πολύ μεγαλύτερο μηχάνημα σε περίπου πέντε χρόνια και στη συνέχεια ένα πιλοτικό εργοστάσιο «στις αρχές έως τα μέσα της δεκαετίας του 2030». Ο Hawker παραδέχεται ότι υπάρχουν πολλές προκλήσεις - όπως η δυνατότητα φόρτωσης βλημάτων το ένα μετά το άλλο και η ανάπτυξη κατάλληλα στιβαρών διακοπτών υψηλής τάσης - αλλά είναι βέβαιος ότι η φυσική του σχεδίου είναι σταθερή. «Η κάψουλα καυσίμου είναι ακριβώς η ίδια με αυτή του NIF, οπότε το πρόσφατο αποτέλεσμα εξαλείφει μαζικά τον κίνδυνο και το σύστημά μας». 

Χρειάζονται μετρητά

Όσον αφορά τη φυσική, η Betti υπολογίζει ότι η αδρανειακή σύντηξη περιορισμού είναι καλύτερα τοποθετημένη από τη μαγνητική δέσμευση. Ενώ το NIF έχει πλέον αποδείξει ότι το πρώτο μπορεί να προκαλέσει αυτοσυντηρούμενες αντιδράσεις, υποστηρίζει ότι οι αστάθειες που δημιουργούνται κοντά στο όριο ανάφλεξης σημαίνουν ότι εξακολουθούν να υπάρχουν μεγάλες αβεβαιότητες σχετικά με το εάν τα tokamaks μπορούν να ακολουθήσουν το παράδειγμά τους. Ωστόσο, λέει ότι και οι δύο μορφές σύντηξης πρέπει να ξεπεράσουν τρομερά εμπόδια για να αποδώσουν οικονομικά ανταγωνιστική ενέργεια - συμπεριλαμβανομένης της επίδειξης υψηλών κερδών από στόχους μαζικής παραγωγής όταν πρόκειται για σύντηξη λέιζερ. «Δυσκολεύομαι να πιστέψω ότι ένα ενεργειακό σύστημα μπορεί να είναι έτοιμο σε 10 χρόνια», λέει.

Οι επιστήμονες του NIF έκαναν εξαιρετική δουλειά την τελευταία δεκαετία λύνοντας μερικά πολύ δύσκολα προβλήματα φυσικής. Θα πρέπει να αναγνωριστούν για το σπουδαίο έργο τους

Stephen Bodner

Ο Κάρτερ είναι πιο αισιόδοξος. Υποστηρίζει ότι τα πιλοτικά εργοστάσια θα μπορούσαν να υλοποιηθούν σε περίπου μια δεκαετία, εφόσον οι ιδιωτικές εταιρείες ηγούνται της κατασκευής τους, ενώ οι κυβερνήσεις υποστηρίζουν πιο βασικές βασικές έρευνες, όπως αυτή για υλικά ανθεκτικά στην ακτινοβολία. Ωστόσο, προειδοποιεί ότι η απαραίτητη χρηματοδότηση θα είναι σημαντική – περίπου 500 εκατομμύρια δολάρια επιπλέον ετησίως στην περίπτωση της κυβέρνησης των ΗΠΑ. Εάν τα χρήματα είναι προσεχώς, προσθέτει, οι εμπορικές εγκαταστάσεις πλήρους κλίμακας ενδέχεται να ενεργοποιηθούν «νωρίτερα από το 2050».

Ως προς το ποια τεχνολογία θα καταλήξει μέσα στα εργοστάσια, ο Bodner επιμένει ότι δεν θα βασίζεται σε έμμεση κίνηση. Πιθανότατα, υποστηρίζει, θα είναι αδρανειακός περιορισμός που βασίζεται σε ένα διαφορετικό είδος συστήματος λέιζερ όπως τα λέιζερ αερίου αργού-φθοριούχου. Αλλά αναγνωρίζει ότι η κλιμάκωση οποιουδήποτε συστήματος φέρνει αβεβαιότητες. Και επαινεί τους επιστήμονες της NIF που έφτασαν την έρευνα σύντηξης σε αυτό το σημείο. «Έκαναν εξαιρετική δουλειά την τελευταία δεκαετία λύνοντας μερικά πολύ δύσκολα προβλήματα φυσικής», λέει. «Θα πρέπει να αναγνωριστούν για τη σπουδαία δουλειά τους».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/