Το ορόσημο σύντηξης λέιζερ της Εθνικής Εγκατάστασης Ανάφλεξης πυροδοτεί τη συζήτηση

Στις 8 Αυγούστου πέρυσι, φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στις ΗΠΑ χρησιμοποίησαν το μεγαλύτερο λέιζερ στον κόσμο για να πραγματοποιήσουν ένα πείραμα που έσπασε ρεκόρ. Χρησιμοποιώντας τις 192 δοκούς των 3.5 δισ. δολαρίων Εθνική εγκατάσταση ανάφλεξης (NIF) για να ανατινάξουν μια κάψουλα μεγέθους κόκκου πιπεριού που περιέχει δευτέριο και τρίτιο, προκάλεσαν τη σύντηξη των δύο ισοτόπων υδρογόνου, δημιουργώντας μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση σύντηξης για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Με τη διαδικασία να εκπέμπει πάνω από το 70% της ενέργειας που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του λέιζερ, το εύρημα πρότεινε ότι τα γιγάντια λέιζερ θα μπορούσαν ακόμη να επιτρέψουν μια νέα πηγή ασφαλούς, καθαρής και ουσιαστικά απεριόριστης ενέργειας.

Το αποτέλεσμα έβαλε τους ερευνητές στο εργαστήριο του Λίβερμορ σε μια πανηγυρική διάθεση, έχοντας αγωνιστεί για περισσότερο από μια δεκαετία για να σημειώσουν σημαντική πρόοδο. Αλλά ο αρχικός ενθουσιασμός γρήγορα έσβησε όταν αρκετές μεταγενέστερες προσπάθειες αναπαραγωγής του επιτεύγματος απέτυχαν - συγκεντρώνοντας στην καλύτερη περίπτωση μόνο το ήμισυ της παραγωγής που έσπασε το ρεκόρ. Με τη διοίκηση του Livermore να έχει αποφασίσει να δοκιμάσει μόνο μια χούφτα επαναλαμβανόμενων πειραμάτων, το εργαστήριο έβαλε σε αναμονή την προσπάθειά του για το νεκρό σημείο και αντ' αυτού προσπάθησε να καταλάβει τι προκαλούσε τη διακύμανση της απόδοσης.

Για τους επικριτές του NIF, η τελευταία διόρθωση πορείας δεν προκάλεσε έκπληξη, προφανώς καταδεικνύοντας για άλλη μια φορά την ακαταλληλότητα της εγκατάστασης ως κρεβάτι δοκιμής για ισχυρή παραγωγή ενέργειας σύντηξης. Ωστόσο, πολλοί επιστήμονες παραμένουν αισιόδοξοι και οι ίδιοι οι ερευνητές του NIF έχουν αγωνιστεί, δημοσιεύοντας πρόσφατα το αποτέλεσμα από το ρεκόρ τους Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης (129 075001). Επιμένουν ότι τελικά πέτυχαν «ανάφλεξη», φτάνοντας στο σημείο στο οποίο η θέρμανση από τις αντιδράσεις σύντηξης υπερισχύει της ψύξης, δημιουργώντας έναν βρόχο θετικής ανάδρασης που ενισχύει γρήγορα τη θερμοκρασία του πλάσματος.

Ο Omar Hurricane, επικεφαλής επιστήμονας του προγράμματος σύντηξης του Livermore, υποστηρίζει ότι αυτός ο ορισμός της ανάφλεξης που βασίζεται στη φυσική - αντί για την απλή περιγραφή του «ενέργειου νεκρού σημείου» - είναι αυτός που πραγματικά μετράει. Περιγράφοντας το ενδεχόμενο επίτευγμα του breakeven ως «το επόμενο γεγονός δημοσίων σχέσεων», λέει ωστόσο ότι παραμένει ένα σημαντικό ορόσημο που θέλει να φτάσει ο ίδιος και οι συνάδελφοί του. Πράγματι, οι φυσικοί πέρα ​​από το εργαστήριο του Λίβερμορ είναι βέβαιοι ότι ο πολυσυζητημένος στόχος θα χτυπηθεί. Steven Rose στο Imperial College στο Ηνωμένο Βασίλειο πιστεύει ότι «υπάρχει κάθε προοπτική» θα επιτευχθεί το breakeven.

Κέρδος ρεκόρ

Η προσπάθεια αξιοποίησης της σύντηξης περιλαμβάνει τη θέρμανση ενός πλάσματος ελαφρών πυρήνων στο σημείο όπου αυτοί οι πυρήνες ξεπερνούν την αμοιβαία απώθησή τους και συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα βαρύτερο στοιχείο. Η διαδικασία αποδίδει νέα σωματίδια –στην περίπτωση του δευτερίου και του τριτίου, πυρήνες ηλίου (σωματίδια άλφα) και νετρόνια– καθώς και τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Εάν το πλάσμα μπορεί να διατηρηθεί σε κατάλληλα τεράστιες θερμοκρασίες και πιέσεις για αρκετό καιρό, τα σωματίδια άλφα θα πρέπει να παρέχουν αρκετή θερμότητα για να διατηρήσουν τις αντιδράσεις μόνα τους, ενώ τα νετρόνια μπορούν ενδεχομένως να αναχαιτιστούν για να τροφοδοτήσουν έναν ατμοστρόβιλο.

Τα τοκαμάκ σύντηξης χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να περιορίσουν το πλάσμα για αρκετά μεγάλες περιόδους. Το NIF, ως συσκευή «αδράνειας περιορισμού», εκμεταλλεύεται τις ακραίες συνθήκες που δημιουργούνται για μια φευγαλέα στιγμή μέσα σε μια μικροσκοπική ποσότητα καυσίμου σύντηξης υψηλής συμπίεσης πριν αυτή εκ νέου διασταλεί. Το καύσιμο τοποθετείται μέσα σε μια σφαιρική κάψουλα διαμέτρου 2 mm, η οποία βρίσκεται στο κέντρο ενός κυλινδρικού μεταλλικού "hohlraum" μήκους περίπου 1 cm και εκρήγνυται όταν οι ακτίνες λέιζερ με ακρίβεια κατευθυνόμενες του NIF χτυπούν το εσωτερικό του hohlraum και δημιουργούν μια πλημμύρα ακτινογραφίες.

Σε αντίθεση με τα tokamaks, το NIF δεν σχεδιάστηκε κυρίως για να επιδεικνύει ενέργεια, αλλά αντ' αυτού χρησιμεύει ως έλεγχος στα προγράμματα υπολογιστών που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση εκρήξεων πυρηνικών όπλων – δεδομένου ότι οι ΗΠΑ σταμάτησαν τις ζωντανές δοκιμές το 1992. Ωστόσο, μετά την ενεργοποίησή του το 2009 σύντομα κατέστη προφανές ότι τα προγράμματα που χρησιμοποιήθηκαν για την καθοδήγηση των δικών της λειτουργιών είχαν υποτιμήσει τις δυσκολίες που συνεπάγονταν, ιδίως κατά την αντιμετώπιση αστάθειας του πλάσματος και τη δημιουργία κατάλληλα συμμετρικών εκρήξεων. Καθώς η NIF χάνει τον αρχικό της στόχο να επιτύχει την ανάφλεξη έως το 2012, η ​​Εθνική Υπηρεσία Πυρηνικής Ασφάλειας των ΗΠΑ, η οποία επιβλέπει το εργαστήριο, άφησε αυτόν τον στόχο στην άκρη για να επικεντρωθεί στο χρονοβόρο έργο της καλύτερης κατανόησης της δυναμικής των εκρήξεων.

Στις αρχές του 2021, μετά από μια σειρά πειραματικών τροποποιήσεων, ο Hurricane και οι συνεργάτες του έδειξαν τελικά ότι θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το λέιζερ για να δημιουργήσουν αυτό που είναι γνωστό ως καιόμενο πλάσμα - στο οποίο η θερμότητα από τα σωματίδια άλφα υπερβαίνει την εξωτερική παροχή ενέργειας. Στη συνέχεια έκαναν μια σειρά από περαιτέρω τροποποιήσεις, συμπεριλαμβανομένης της συρρίκνωσης των οπών εισόδου του λέιζερ του hohlraum και της μείωσης της μέγιστης ισχύος του λέιζερ. Το αποτέλεσμα ήταν να μετατοπιστεί μέρος της ενέργειας των ακτίνων Χ αργότερα στη λήψη, γεγονός που αύξησε την ισχύ που μεταφέρθηκε στο πυρηνικό καύσιμο – ωθώντας το αρκετά ψηλά ώστε να ξεπεράσει τις απώλειες ακτινοβολίας και αγώγιμου.

Τον Αύγουστο του 2021, οι ερευνητές του NIF κατέγραψαν τη φωτογραφία ορόσημο «N210808». Το hotspot στο κέντρο του καυσίμου σε αυτή την περίπτωση είχε θερμοκρασία περίπου 125 εκατομμυρίων kelvin και ενεργειακή απόδοση 1.37 MJ – περίπου οκτώ φορές υψηλότερη από το προηγούμενο καλύτερο αποτέλεσμα, που λήφθηκε νωρίτερα μέσα στο έτος. Αυτή η νέα απόδοση υποδηλώνει «κέρδος στόχου» 0.72 – σε σύγκριση με την έξοδο 1.97 MJ του λέιζερ – και «κέρδος κάψουλας» 5.8 όταν λαμβάνεται υπόψη η ενέργεια που απορροφάται από την κάψουλα. 

Το πιο σημαντικό, όσον αφορά το Hurricane, το πείραμα ικανοποιούσε επίσης αυτό που είναι γνωστό ως κριτήριο Lawson για την ανάφλεξη. Κατασκευάστηκε για πρώτη φορά από τον μηχανικό και φυσικό John Lawson το 1955, αυτό ορίζει τις συνθήκες υπό τις οποίες η αυτοθέρμανση της σύντηξης θα υπερβεί την ενέργεια που χάνεται μέσω της αγωγιμότητας και της ακτινοβολίας. Η Hurricane λέει ότι τα αποτελέσματα του NIF ικανοποιούσαν εννέα διαφορετικές συνθέσεις του κριτηρίου για τη σύντηξη αδρανειακού περιορισμού, επιδεικνύοντας έτσι ανάφλεξη «χωρίς ασάφεια».

Τρεις βολές και είσαι εκτός

Μετά τη λήψη του ρεκόρ, ο Hurricane και ορισμένοι από τους συναδέλφους του επιστήμονες στο NIF ήθελαν να επαναλάβουν την επιτυχία τους. Αλλά η διοίκηση του εργαστηρίου δεν ήταν τόσο ενθουσιώδης. Σύμφωνα με Μαρκ Χέρμαν, τότε αναπληρωτής διευθυντής του Λίβερμορ για τη φυσική των θεμελιωδών όπλων, συγκροτήθηκαν αρκετές ομάδες εργασίας στον απόηχο του N210808 για να αξιολογήσουν τα επόμενα βήματα. Λέει ότι μια ομάδα διαχείρισης αποτελούμενη από περίπου 10 ειδικούς στον αδρανειακό περιορισμό συγκέντρωσε αυτά τα ευρήματα και κατάρτισε ένα σχέδιο, το οποίο παρουσίασε τον Σεπτέμβριο.

Ο Herrmann λέει ότι το σχέδιο περιείχε τρία μέρη - προσπάθεια αναπαραγωγής του N210808. ανάλυση των πειραματικών συνθηκών που επέτρεψαν τη λήψη ρεκόρ. και προσπαθώντας να επιτύχουμε «ισχυρές αποδόσεις megajoule». Η συζήτηση του πρώτου σημείου αφορούσε αυτό που ο Herrmann περιγράφει ως «μεγάλη ποικιλία απόψεων» μεταξύ των περίπου 100 επιστημόνων που εργάζονται στο πρόγραμμα σύντηξης. Στο τέλος, λαμβάνοντας υπόψη τους «περιορισμένους πόρους» και τον περιορισμένο αριθμό στόχων στην παρτίδα που περιέχει το N210808, λέει ότι η ομάδα διαχείρισης συμβιβάστηκε με μόλις τρεις επιπλέον βολές.

Ο Hurricane έχει μια ελαφρώς διαφορετική ανάμνηση, λέγοντας ότι υπήρξαν τέσσερις επαναλήψεις. Αυτά τα πειράματα, λέει, διεξήχθησαν σε μια περίοδο περίπου τριών μηνών και πέτυχαν αποδόσεις που κυμαίνονταν από λιγότερο από το ένα πέμπτο έως περίπου το μισό από αυτό που είχε επιτευχθεί τον Αύγουστο. Ωστόσο, υποστηρίζει ότι αυτές οι λήψεις εξακολουθούσαν να είναι «πολύ καλά πειράματα», προσθέτοντας ότι ικανοποιούσαν επίσης ορισμένες διατυπώσεις του κριτηρίου Lawson. Η διαφορά στην απόδοση, λέει, «δεν είναι τόσο δυαδική όσο οι άνθρωποι έχουν απεικονίσει».

Η διαδικασία επικάλυψης πλάσματος είναι μια συνταγή, έτσι όπως το ψήσιμο του ψωμιού δεν βγαίνει ακριβώς το ίδιο κάθε φορά

Ο τυφώνας Ομάρ

Σχετικά με το τι προκάλεσε αυτή την τεράστια διακύμανση στην παραγωγή, ο Herrmann λέει ότι η κύρια υπόθεση είναι τα κενά και τα κενά στις κάψουλες καυσίμου, οι οποίες είναι κατασκευασμένες από βιομηχανικό διαμάντι. Εξηγεί ότι αυτές οι ατέλειες μπορούν να ενισχυθούν κατά τη διαδικασία της έκρηξης, προκαλώντας την είσοδο του διαμαντιού στο hot spot. Δεδομένου ότι ο άνθρακας έχει μεγαλύτερο ατομικό αριθμό από το δευτέριο ή το τρίτιο, μπορεί να ακτινοβολεί πολύ πιο αποτελεσματικά, πράγμα που ψύχει το θερμό σημείο και μειώνει την απόδοση. 

Ο Hurricane συμφωνεί ότι το διαμάντι πιθανότατα παίζει σημαντικό ρόλο στη διαφοροποίηση της απόδοσης από βολή σε βολή. Επισημαίνοντας ότι πρέπει να αναμένονται μεγάλες διακυμάνσεις στην παραγωγή δεδομένης της μη γραμμικότητας των εκρήξεων του NIF, λέει ότι οι εμπλεκόμενοι επιστήμονες δεν κατανοούν πλήρως τη διαδικασία επικάλυψης πλάσματος που χρησιμοποιείται κατά την κατασκευή των καψουλών. «Είναι μια συνταγή», λέει, «έτσι όπως το ψήσιμο του ψωμιού δεν βγαίνει ακριβώς το ίδιο κάθε φορά».

Ο δρόμος προς την ενέργεια σύντηξης

Η Hurricane λέει ότι η ομάδα διερευνά τώρα διάφορους τρόπους για να αυξήσει την απόδοση του NIF εκτός από τη βελτίωση της ποιότητας της κάψουλας. Αυτά περιλαμβάνουν την αλλαγή του πάχους της κάψουλας, την αλλαγή του μεγέθους ή της γεωμετρίας του hohlraum ή πιθανή αύξηση της ενέργειας παλμού λέιζερ σε περίπου 2.1 MJ για να μειωθεί η ακρίβεια που απαιτείται για τον στόχο. Λέει ότι δεν υπάρχει "μαγικός αριθμός" όταν πρόκειται για το κέρδος στόχου, αλλά προσθέτει ότι όσο υψηλότερο είναι το κέρδος τόσο μεγαλύτερος είναι ο χώρος παραμέτρων που μπορεί να εξερευνηθεί όταν γίνεται διαχείριση αποθεμάτων. Επισημαίνει επίσης ότι ένα κέρδος 1 δεν σημαίνει ότι η εγκατάσταση παράγει καθαρή ενέργεια, δεδομένου του πόσο λίγη από την εισερχόμενη ηλεκτρική ενέργεια το λέιζερ μετατρέπει σε φως στον στόχο – στην περίπτωση του NIF, λιγότερο από 1%.

Ο μακρύς δρόμος προς την ανάφλεξη

Μάικλ Κάμπελ του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ στις ΗΠΑ εκτιμούν ότι το NIF θα μπορούσε να επιτύχει ένα κέρδος τουλάχιστον 1 «κατά τα επόμενα 2-5 χρόνια», δεδομένου των επαρκών βελτιώσεων στο hohlraum και στο στόχο. Ωστόσο, υποστηρίζει ότι η επίτευξη εμπορικά συναφών κερδών 50-100 θα απαιτούσε πιθανώς μια μετάβαση από την «έμμεση μονάδα δίσκου» του NIF, η οποία παράγει ακτίνες Χ για να συμπιέσει τον στόχο, στην δυνητικά πιο αποτελεσματική αλλά πιο δύσκολη «άμεση κίνηση» που βασίζεται στην η ίδια η ακτινοβολία λέιζερ.

Παρά τα πολλά δισεκατομμύρια δολάρια που είναι πιθανό να χρειαστούν, ο Campbell είναι αισιόδοξος ότι μια κατάλληλη εγκατάσταση άμεσης κίνησης μπορεί να αποδείξει τέτοια κέρδη μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 2030 – ιδιαίτερα, λέει, εάν εμπλέκεται ο ιδιωτικός τομέας. Ωστόσο, προειδοποιεί ότι οι εμπορικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής πιθανότατα δεν θα άρχιζαν να λειτουργούν τουλάχιστον μέχρι τα μέσα του αιώνα. «Η ενέργεια σύντηξης είναι μακροπρόθεσμα», λέει, «νομίζω ότι οι άνθρωποι πρέπει να είναι ρεαλιστές σχετικά με τις προκλήσεις».