نقطه عطف همجوشی لیزری مرکز احتراق ملی بحث را برانگیخت

در 8 آگوست سال گذشته، فیزیکدانان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در ایالات متحده از بزرگترین لیزر جهان برای انجام آزمایشی بی سابقه استفاده کردند. استفاده از 192 تیر 3.5 میلیارد دلاری تاسیسات احتراق ملی (NIF) برای منفجر کردن یک کپسول به اندازه دانه فلفل حاوی دوتریوم و تریتیوم، باعث شدند دو ایزوتوپ هیدروژن با هم ترکیب شوند و یک واکنش همجوشی خودپایه برای کسری از ثانیه ایجاد کنند. با این فرآیند که بیش از 70 درصد انرژی مورد استفاده برای تامین انرژی لیزر را تولید می کند، این یافته نشان داد که لیزرهای غول پیکر ممکن است منبع جدیدی از انرژی ایمن، پاک و اساساً بی حد و حصر را فعال کنند.

نتیجه، محققان آزمایشگاه لیورمور را در یک روحیه جشن قرار داد، زیرا بیش از یک دهه برای پیشرفت قابل توجه تلاش کرده اند. اما هیجان اولیه به زودی محو شد، زمانی که چندین تلاش بعدی برای بازتولید این دستاورد شکست خورد - در بهترین حالت فقط نیمی از خروجی رکوردشکنی را به دست آورد. با توجه به اینکه مدیریت لیورمور تصمیم گرفته بود تنها تعداد انگشت شماری از آزمایش‌های تکراری را امتحان کند، آزمایشگاه تلاش خود را برای رسیدن به نقطه سربه‌سر متوقف کرد و در عوض سعی کرد بفهمد چه چیزی باعث تغییر در خروجی می‌شود.

برای منتقدان NIF، آخرین اصلاح مسیر تعجب آور نبود، و ظاهراً بار دیگر نامناسب بودن تاسیسات را به عنوان بستر آزمایشی برای تولید قوی انرژی همجوشی نشان داد. اما بسیاری از دانشمندان خوش بین هستند و خود محققان NIF به مبارزه پرداخته اند و اخیراً نتیجه رکوردشکنی خود را منتشر کرده اند. Physical Review Letters به (129 075001). آنها اصرار دارند که بالاخره به «اشتعال» دست یافته‌اند و به نقطه‌ای رسیده‌اند که گرمایش ناشی از واکنش‌های همجوشی بیش از خنک‌سازی است و یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد می‌کند که به سرعت دمای پلاسما را افزایش می‌دهد.

عمر هاریکن، دانشمند ارشد برنامه همجوشی لیورمور، معتقد است که این تعریف مبتنی بر فیزیک از احتراق - به جای توصیف ساده "سرسخت انرژی" - چیزی است که واقعاً مهم است. او با توصیف دستیابی نهایی به نقطه سربه‌سر به‌عنوان «رویداد بعدی روابط عمومی»، می‌گوید که این یک نقطه عطف مهم است که او و همکارانش می‌خواهند به آن برسند. در واقع، فیزیکدانان فراتر از آزمایشگاه لیورمور مطمئن هستند که هدف مورد بحث مورد اصابت قرار خواهد گرفت. استیون رز در امپریال کالج در بریتانیا معتقد است که "هر چشم اندازی وجود دارد" به نقطه سربه سر خواهد رسید.

افزایش رکورد

تلاش برای مهار همجوشی شامل گرم کردن پلاسمای هسته های سبک تا جایی است که آن هسته ها بر دافعه متقابل خود غلبه کرده و برای تشکیل عنصر سنگین تری ترکیب می شوند. این فرآیند ذرات جدیدی - در مورد دوتریوم و تریتیوم، هسته‌های هلیوم (ذرات آلفا) و نوترون‌ها - و همچنین مقادیر زیادی انرژی تولید می‌کند. اگر بتوان پلاسما را در دماها و فشارهای مناسب برای مدت زمان کافی نگه داشت، ذرات آلفا باید گرمای کافی را برای حفظ واکنش ها به خودی خود فراهم کنند، در حالی که نوترون ها به طور بالقوه می توانند برای نیرو دادن به یک توربین بخار رهگیری شوند.

توکامک های همجوشی از میدان های مغناطیسی برای محدود کردن پلاسما در دوره های نسبتا طولانی استفاده می کنند. NIF، به عنوان یک دستگاه "محصور اینرسی"، در عوض از شرایط شدید ایجاد شده برای یک لحظه زودگذر در داخل مقدار کمی از سوخت همجوشی بسیار فشرده قبل از انبساط مجدد استفاده می کند. سوخت درون یک کپسول کروی به قطر 2 میلی‌متر قرار می‌گیرد که در مرکز یک فلز استوانه‌ای به طول تقریباً 1 سانتی‌متر "ههلراوم" قرار دارد و هنگامی که پرتوهای لیزر دقیقاً جهت‌دار NIF به داخل هوهلروم برخورد می‌کند و ایجاد سیل می‌کند، منفجر می‌شود. اشعه ایکس.

برخلاف توکامک‌ها، NIF اساساً برای نشان دادن انرژی طراحی نشده بود، بلکه به‌عنوان بررسی برنامه‌های کامپیوتری مورد استفاده برای شبیه‌سازی انفجار تسلیحات هسته‌ای - با توجه به اینکه ایالات متحده آزمایش‌های زنده را در سال 1992 متوقف کرد، طراحی شد. آشکار شد که برنامه‌هایی که برای هدایت عملیات خود استفاده می‌شد، دشواری‌های موجود را دست کم گرفته بودند، به‌ویژه هنگام برخورد با ناپایداری‌های پلاسما و ایجاد انفجارهای متقارن مناسب. با از دست دادن NIF هدف اولیه خود برای دستیابی به اشتعال تا سال 2009، اداره امنیت ملی هسته ای ایالات متحده که بر آزمایشگاه نظارت دارد، این هدف را کنار گذاشت تا بر روی کار وقت گیر درک بهتر دینامیک انفجار تمرکز کند.

در اوایل سال 2021، پس از یک سری تغییرات تجربی، Hurricane و همکارانش در نهایت نشان دادند که می توانند از لیزر برای ایجاد چیزی که به عنوان پلاسمای سوزان شناخته می شود استفاده کنند - که در آن گرمای ذرات آلفا از منبع انرژی خارجی فراتر می رود. آنها سپس یک سری تغییرات بیشتر انجام دادند، از جمله کوچک کردن سوراخ های ورودی لیزر hohlraum و کاهش قدرت اوج لیزر. این اثر انتقال بخشی از انرژی پرتو ایکس به بعد از عکس بود، که باعث افزایش توان انتقال یافته به سوخت هسته‌ای شد - آن را به اندازه کافی بالا برد تا از تلفات تابشی و رسانایی پیشی بگیرد.

در آگوست 2021، محققان NIF شات برجسته خود "N210808" را ضبط کردند. نقطه داغ در مرکز سوخت در این مورد دمایی در حدود 125 میلیون کلوین و بازده انرژی 1.37 اینچ MJ داشت که هشت برابر بیشتر از بهترین نتیجه قبلی آنها که در اوایل سال به دست آمده بود. این بازده جدید دلالت بر «بهبود هدف» 0.72 - در مقایسه با خروجی 1.97 اینچ لیزر - و در عوض در نظر گرفتن انرژی جذب شده توسط کپسول، «بهبود کپسول» 5.8 داشت. 

مهمتر از آن، تا آنجا که به طوفان مربوط می شود، این آزمایش همچنین آنچه را که به عنوان معیار لاوسون برای احتراق شناخته می شود برآورده کرد. این مورد برای اولین بار توسط مهندس و فیزیکدان جان لاوسون در سال 1955 ارائه شد و شرایطی را مشخص می کند که در آن خود گرمایش همجوشی از انرژی از دست رفته از طریق رسانش و تشعشع بیشتر می شود. Hurricane می گوید که نتایج NIF XNUMX فرمول مختلف از معیار همجوشی محصور شدن اینرسی را برآورده کرده است، در نتیجه احتراق "بدون ابهام" را نشان می دهد.

سه شوت و شما بیرون هستید

پس از این رکوردشکنی، هاریکین و برخی از دانشمندان همکارش در NIF مشتاق بودند که موفقیت خود را تکرار کنند. اما مدیریت آزمایشگاه چندان مشتاق نبود. مطابق با مارک هرمانپس از آن، معاون مدیر فیزیک سلاح های بنیادی لیورمور، در پی N210808 چندین کارگروه برای ارزیابی مراحل بعدی تشکیل شد. او می‌گوید که یک تیم مدیریتی متشکل از حدود 10 متخصص در حبس اینرسی این یافته‌ها را جمع‌آوری کردند و طرحی را طراحی کردند که در سپتامبر ارائه شد.

هرمان می گوید که این طرح شامل سه بخش بود – تلاش برای بازتولید N210808. تجزیه و تحلیل شرایط تجربی که رکورد شکنی را فعال کرد. و تلاش برای به دست آوردن "بازده مگاژول قوی". بحث در مورد اولین نکته شامل چیزی بود که هرمان به عنوان "تنوع زیادی از نظرات" در میان تقریباً 100 دانشمندی که روی برنامه همجوشی کار می کردند، توصیف می کند. در پایان، با توجه به «منابع محدود» و تعداد محدودی از اهداف در دسته حاوی N210808، او می‌گوید که تیم مدیریت تنها به سه شلیک اضافی بسنده کرد.

خاطرات طوفان کمی متفاوت است و می گوید که چهار بار تکرار شده است. او می‌گوید، این آزمایش‌ها در یک دوره تقریباً سه ماهه انجام شد و به بازدهی دست یافت که از کمتر از یک پنجم تا حدود نیمی از میزان تولید در ماه اوت متغیر بود. اما او معتقد است که این عکس‌ها هنوز «آزمایش‌های بسیار خوبی» بودند و اضافه کرد که آنها همچنین برخی از فرمول‌بندی‌های معیار لاوسون را برآورده می‌کنند. او می‌گوید تفاوت در عملکرد «آن‌قدر که مردم به تصویر می‌کشند باینری نیست».

فرآیند پوشش پلاسما یک دستورالعمل است، بنابراین درست مانند پختن نان، هر بار دقیقاً یکسان نمی شود.

طوفان عمر

در مورد اینکه چه چیزی باعث این تنوع عظیم در خروجی شده است، هرمان می‌گوید که فرضیه اصلی حفره‌ها و شکاف‌ها در کپسول‌های سوخت است که از الماس صنعتی ساخته شده‌اند. او توضیح می دهد که این عیوب را می توان در طول فرآیند انفجار تقویت کرد و باعث می شود الماس وارد نقطه داغ شود. با توجه به اینکه کربن دارای عدد اتمی بالاتری نسبت به دوتریوم یا تریتیوم است، می تواند بسیار کارآمدتر تابش کند، که نقطه داغ را خنک می کند و عملکرد را کاهش می دهد. 

Hurricane موافق است که الماس احتمالاً نقش مهمی در تغییر عملکرد شات به شات دارد. او با اشاره به اینکه با توجه به غیرخطی بودن انفجارهای NIF، تغییرات زیادی در خروجی قابل انتظار است، می‌گوید که دانشمندان درگیر فرآیند پوشش پلاسما را که در طول ساخت کپسول‌ها استفاده می‌شود کاملاً درک نمی‌کنند. او می‌گوید: «این یک دستور پخت است، بنابراین درست مثل پختن نان، هر بار دقیقاً یکسان ظاهر نمی‌شود.»

جاده انرژی همجوشی

Hurricane می گوید که این تیم اکنون در حال بررسی چندین راه برای افزایش خروجی NIF علاوه بر بهبود کیفیت کپسول است. اینها شامل تغییر ضخامت کپسول، تغییر اندازه یا هندسه hohlraum، یا احتمالا افزایش انرژی پالس لیزر به حدود 2.1 اینچ MJ برای کاهش دقت مورد نیاز برای هدف است. او می‌گوید که «عدد جادویی» در مورد بهره هدف وجود ندارد، اما اضافه می‌کند که هر چه بهره بالاتر باشد، فضای پارامتری بزرگ‌تر می‌تواند در هنگام انجام انبارداری بررسی شود. او همچنین خاطرنشان می‌کند که با توجه به مقدار کمی از انرژی الکتریکی ورودی که لیزر به نور روی هدف تبدیل می‌شود، بهره ۱ به این معنی نیست که تأسیسات انرژی خالص تولید می‌کند - در مورد NIF، کمتر از ۱٪.

راه طولانی برای اشتعال

مایکل کمپبل از دانشگاه روچستر در ایالات متحده تخمین می‌زند که NIF با توجه به بهبودهای کافی در hohlraum و هدف، می‌تواند به حداقل 1 در طی 2 تا 5 سال آینده دست یابد. اما او استدلال می‌کند که رسیدن به سودهای تجاری مربوط به 50 تا 100 احتمالاً نیاز به تغییر از "درایو غیرمستقیم NIF" دارد، که اشعه ایکس را برای فشرده‌سازی هدف تولید می‌کند، به "درایو مستقیم" بالقوه کارآمدتر اما پیچیده‌تر که به آن متکی است. خود تابش لیزر

علیرغم چندین میلیارد دلاری که احتمالاً مورد نیاز است، کمپبل خوشبین است که یک تأسیسات هدایت مستقیم مناسب می تواند چنین دستاوردهایی را تا پایان دهه 2030 نشان دهد - به ویژه، به گفته او، اگر بخش خصوصی درگیر باشد. اما او هشدار می دهد که نیروگاه های تجاری احتمالاً حداقل تا اواسط قرن جاری شروع به کار نخواهند کرد. او می گوید: «انرژی فیوژن برای بلندمدت است، من فکر می کنم مردم باید در مورد چالش ها واقع بین باشند.»