Pärast seda, kui mullu ei õnnestunud reprodutseerida rekordilist termotuumasünteesienergia kaadrit, on USA riikliku süütejaama teadlased naasnud joonestuslaua juurde. Edwin Cartlidge arutab nende edasisi samme
2021. aastal National Ignition Facility's tehtud rekordiline kaader, mis andis 1.37 MJ, pole reprodutseeritud. (Viisakalt: LLNL)
Eelmise aasta 8. augustil kasutasid USA Lawrence Livermore'i riikliku labori füüsikud maailma suurimat laserit rekordilise katse läbiviimiseks. Kasutades 192 miljardi dollari 3.5 tala Riiklik süüteseade (NIF) deuteeriumi ja triitiumi sisaldava pipraterasuuruse kapsli lõhkumiseks panid need kaks vesiniku isotoopi kokku, tekitades sekundi murdosa jooksul isemajanduva fusioonireaktsiooni. Kuna protsess eraldab üle 70% laseri toiteks kasutatavast energiast, näitas leid, et hiiglaslikud laserid võivad siiski võimaldada uut ohutu, puhta ja sisuliselt piiramatu energiaallikat.
Tulemus pani Livermore'i labori teadlased pidulikku meeleolu, kuna nad olid rohkem kui kümme aastat võidelnud märkimisväärse edu saavutamiseks. Kuid esialgne elevus kadus peagi, kui mitmed järgnevad katsed seda saavutust taasesitada jäid ebaõnnestuma – parimal juhul oli see vaid pool rekordilisest väljundist. Kuna Livermore'i juhtkond oli otsustanud katsetada vaid käputäis korduvaid katseid, pani labor oma kasumlikkuse püüdlused ootele ja püüdis selle asemel välja selgitada, mis väljundi kõikumisi põhjustas.
NIF-i kriitikute jaoks ei tulnud viimane kursiparandus üllatusena, näidates taaskord rajatise sobimatust tugeva termotuumasünteesienergia tootmise katsealusena. Kuid paljud teadlased on endiselt optimistlikud ja NIF-i teadlased ise on hakanud võitlema, avaldades hiljuti oma rekordilise võtte tulemuse. Physical Review Letters (129 075001). Nad rõhutavad, et nad on lõppude lõpuks saavutanud "süttimise", saavutades punkti, kus termotuumasünteesi reaktsioonidest tulenev kuumutamine kaalub üles jahtumise, luues positiivse tagasisideahela, mis tõstab kiiresti plasma temperatuuri.
Livermore'i termotuumasünteesi programmi juhtivteadur Omar Hurricane väidab, et see süüte füüsikapõhine määratlus – mitte lihtne energiatasuvuse kirjeldus – on see, mis tõesti loeb. Kirjeldades kasumiläve saavutamist "järgmise suhtekorraldusüritusena", ütleb ta siiski, et see on endiselt oluline verstapost, milleni tema ja ta kolleegid soovivad jõuda. Tõepoolest, füüsikud väljaspoolt Livermore'i laborit on kindlad, et paljuräägitud sihtmärk tabatakse. Steven Rose Ühendkuningriigi Imperial College'is usub, et "on kõik võimalused" saavutatakse kasumiläve.
Rekordkasum
Katse kasutada termotuumasünteesi hõlmab kergete tuumade plasma kuumutamist punktini, kus need tuumad saavad üle vastastikusest tõrjumisest ja ühinevad, moodustades raskema elemendi. Protsess annab uusi osakesi – deuteeriumi ja triitiumi puhul heeliumi tuumasid (alfaosakesi) ja neutroneid – ning tohutult energiat. Kui plasmat saab hoida sobival tohutul temperatuuril ja rõhul piisavalt kaua, peaksid alfaosakesed pakkuma piisavalt soojust, et reaktsioone iseseisvalt säilitada, samal ajal kui neutroneid saab potentsiaalselt kinni hoida, et toita auruturbiini.
Fusioon-tokamakid kasutavad magnetvälju plasmade piiramiseks üsna pikkade perioodide jooksul. NIF kui "inertsiaalne sulgemisseade" kasutab selle asemel ära ekstreemseid tingimusi, mis on loodud üürikeseks hetkeks väikeses koguses tugevalt kokkusurutud termotuumasünteesikütuses, enne kui see uuesti paisub. Kütus asetatakse 2 mm läbimõõduga sfäärilisesse kapslisse, mis asub umbes 1 cm pikkuse silindrilise metallist "hohlraumi" keskel ja mis plahvatab, kui NIF-i täpselt suunatud laserkiired tabavad hohlraumi sisemust ja tekitavad röntgenikiirgus.
Vastupidiselt tokamakidele ei olnud NIF mõeldud peamiselt energia demonstreerimiseks, vaid selle asemel kontrollis arvutiprogramme, mida kasutatakse tuumarelvade plahvatuste simuleerimiseks – arvestades, et USA lõpetas 1992. aastal reaalajas katsetamise. Kuid pärast sisselülitamist 2009. aastal ilmnes, et tema enda operatsioonide juhtimiseks kasutatavad programmid olid alahinnanud kaasnevaid raskusi, eriti plasma ebastabiilsuste käsitlemisel ja sobivalt sümmeetriliste implosioonide loomisel. Kuna NIF ei suutnud oma esialgset eesmärki 2012. aastaks süttida, jättis labori üle järelevalvet teostav USA riiklik tuumajulgeolekuamet selle eesmärgi kõrvale, et keskenduda aeganõudvale ülesandele, milleks on implosiooni dünaamika parem mõistmine.
2021. aasta alguses näitas Hurricane ja tema kolleegid pärast mitmeid eksperimentaalseid modifikatsioone lõpuks, et nad saavad laserit kasutada nn põleva plasma loomiseks, milles alfaosakeste soojus ületab välise energiavarustuse. Seejärel tegid nad mitmeid täiendavaid muudatusi, sealhulgas vähendasid hohlraumi laseri sissepääsuavasid ja vähendasid laseri tippvõimsust. Mõju oli nihutada osa röntgenienergiast võtte hilisemale ajale, mis suurendas tuumkütusele ülekantavat võimsust – lükates selle piisavalt kõrgele, et ületada kiirgus- ja juhtivuskadusid.
2021. aasta augustis salvestasid NIF-i teadlased oma maamärgi "N210808" kaadri. Kütuse keskel asuva kuumkoha temperatuur oli sel juhul umbes 125 miljonit kelvinit ja energiasaagis 1.37 MJ – umbes kaheksa korda suurem kui nende varasem parim tulemus, mis saadi aasta alguses. See uus saagis tähendas "sihtvõimendust" 0.72 - võrreldes laseri 1.97 MJ väljundiga - ja "kapsli võimendust" 5.8, kui võtta arvesse hoopis kapsli neeldunud energiat.
Veelgi olulisem on see, et orkaani osas rahuldas katse ka seda, mida nimetatakse Lawsoni süütekriteeriumiks. Esmakordselt koostas insener ja füüsik John Lawson 1955. aastal. See sätestab tingimused, mille korral termotuumasünteesi isekuumenemine ületab juhtivuse ja kiirguse kaudu kaotatud energia. Hurricane ütleb, et NIF-i tulemused vastasid üheksale erinevale inertsiaalse sulandumise kriteeriumi sõnastusele, näidates sellega süttimist "ilma ühemõttelisuseta".
Kolm lasku ja oletegi väljas
Pärast rekordi löömist soovisid Hurricane ja mõned tema kaasteadlased NIF-is oma edu kordama. Kuid labori juhtkond ei olnud nii entusiastlik. Vastavalt Mark Herrmann, siis Livermore'i asedirektor relvafüüsika alal, loodi pärast N210808 mitmeid töörühmi, et hinnata järgmisi samme. Ta ütleb, et umbes 10 inertsiaalse kinnipidamise eksperdist koosnev juhtkond võttis need leiud kokku ja koostas plaani, mille esitas septembris.
Herrmann ütleb, et plaan sisaldas kolme osa – N210808 reprodutseerimise katse; rekordilise löögi võimaldanud katsetingimuste analüüsimine; ja püüdes saada "jõulist megadžauli saaki". Esimese punkti arutelu hõlmas umbes 100 tuumasünteesiprogrammi kallal töötava teadlase seas seda, mida Herrmann kirjeldab kui "suurt erinevat arvamust". Lõpuks, arvestades "piiratud ressursse" ja piiratud arvu sihtmärke N210808 sisaldavas partiis, ütleb ta, et juhtkond leppis vaid kolme lisalasuga.
Orkaanil on veidi teistsugune mälestus, öeldes, et kordus oli neli. Ta ütleb, et need katsed viidi läbi umbes kolme kuu jooksul ja nende saagikus ulatus alla viiendiku kuni umbes pooleni augustis saavutatud saagist. Kuid ta väidab, et need kaadrid olid siiski "väga head katsed", lisades, et need vastasid ka mõnele Lawsoni kriteeriumi sõnastusele. Ta ütleb, et erinevus jõudluses "ei ole nii binaarne, kui inimesed on kujutanud".
Plasmakatmise protsess on retsept, nii et nagu leiva küpsetamine, ei tule see iga kord täpselt sama välja
Omari orkaan
Selle kohta, mis põhjustas selle tohutu toodangu kõikumise, ütleb Herrmann, et juhtiv hüpotees on tühimikud ja lõhed kütusekapslites, mis on valmistatud tööstuslikust teemandist. Ta selgitab, et need puudused võivad implosiooniprotsessi käigus võimenduda, mistõttu teemant satub kuuma punkti. Arvestades, et süsinikul on suurem aatomarv kui deuteeriumil või triitiumil, võib see kiirata palju tõhusamalt, mis jahutab kuuma kohta ja vähendab jõudlust.
Hurricane nõustub, et teemant mängib tõenäoliselt olulist rolli löögist löögini jõudluse muutmisel. Viidates sellele, et NIF-i implosioonide mittelineaarsust arvestades on oodata suuri väljundi erinevusi, ütleb ta, et kaasatud teadlased ei mõista täielikult kapslite valmistamisel kasutatud plasmakatmisprotsessi. "See on retsept," ütleb ta, "nii et nagu leiva küpsetamine, ei tule see iga kord täpselt sama välja."
Tee termotuumasünteesi energiani
Hurricane ütleb, et meeskond uurib nüüd mitmeid viise, kuidas lisaks kapsli kvaliteedi parandamisele ka NIF-i toodangut suurendada. Need hõlmavad kapsli paksuse muutmist, hohlraumi suuruse või geomeetria muutmist või võimaluse korral laserimpulsi energia suurendamist umbes 2.1 MJ-ni, et vähendada sihtmärgi jaoks vajalikku täpsust. Ta ütleb, et sihtvõimenduse osas pole "maagilist numbrit", kuid lisab, et mida suurem on võimendus, seda suurem on parameetrite ruum, mida saab varude haldamisel uurida. Ta juhib tähelepanu ka sellele, et võimendus 1 ei tähenda, et rajatis toodab netoenergiat, arvestades seda, kui väikese osa sissetulevast elektrienergiast laser sihtmärgil valguseks muudab – NIF-i puhul alla 1%.
Pikk tee süttimiseni
Michael Campbell Rochesteri ülikoolist USA arvab, et NIF võib saavutada järgmise 1–2 aasta jooksul vähemalt 5 kasumi, arvestades hohlraumi ja eesmärgi piisavaid parandusi. Kuid ta väidab, et äriliselt olulise kasumi 50–100 saavutamine eeldab tõenäoliselt üleminekut NIF-i "kaudselt ajamilt", mis genereerib sihtmärgi kokkusurumiseks röntgenikiirgust, potentsiaalselt tõhusamale, kuid keerukamale "otsesele ajamile", mis põhineb laserkiirgus ise.
Hoolimata mitmest miljardist dollarist, mida tõenäoliselt vaja läheb, on Campbell optimistlik, et sobiv otseajamiga rajatis suudab 2030. aastate lõpuks sellist kasu näidata – eriti kui kaasatud on erasektor. Kuid ta hoiatab, et kaubanduslikud elektrijaamad hakkaksid tööle tõenäoliselt alles vähemalt sajandi keskpaigas. "Tuumasünteesienergia on pikaajaline," ütleb ta, "ma arvan, et inimesed peavad olema väljakutsete suhtes realistlikud."
