National Ignition Facilityn laserfuusion virstanpylväs herättää keskustelua

Viime vuoden elokuun 8. päivänä Yhdysvaltain Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion fyysikot käyttivät maailman suurinta laseria ennätyskokeen suorittamiseen. Käyttää 192 miljardin dollarin 3.5 palkkia Kansallinen sytytyslaitos (NIF) räjäyttääkseen deuteriumia ja tritiumia sisältävän pippurin kokoisen kapselin, ne saivat kaksi vetyisotooppia fuusioitumaan, mikä synnytti itseään ylläpitävän fuusioreaktion sekunnin murto-osan ajan. Kun prosessi luovuttaa yli 70 % laserin tehostamiseen käytetystä energiasta, havainto viittasi siihen, että jättiläislaserit voisivat vielä mahdollistaa uuden turvallisen, puhtaan ja olennaisesti rajattoman energialähteen.

Tulos sai Livermore-laboratorion tutkijat juhlalliseen tunnelmaan, sillä he olivat kamppailleet yli vuosikymmenen ajan saavuttaakseen merkittävää edistystä. Alkuinnostus kuitenkin hiipui pian, kun useat myöhemmät yritykset toistaa saavutus epäonnistuivat – parhaimmillaan vain puolet ennätystuloksesta. Kun Livermoren johto oli päättänyt kokeilla vain kourallista toistuvia kokeita, laboratorio laittoi kannattavuuspyrkimyksensä pitoon ja yritti sen sijaan selvittää, mikä aiheutti tuotannon vaihtelun.

NIF:n kriitikoille viimeisin kurssin korjaus ei tullut yllätyksenä, vaan ilmeisesti jälleen kerran havainnollistaa laitoksen sopimattomuutta vankan fuusioenergian tuotannon testialustaan. Mutta monet tutkijat ovat edelleen toiveikkaina, ja NIF-tutkijat itse ovat taistelleet julkaisseet äskettäin tuloksen ennätyksellisestä laukauksestaan. Fyysisen tarkastelun kirjaimet (129 075001). He väittävät, että he ovat loppujen lopuksi saavuttaneet "sytytyksen", saavuttaneet pisteen, jossa fuusioreaktioista johtuva kuumennus painaa enemmän kuin jäähtyminen, luoden positiivisen takaisinkytkentäsilmukan, joka nostaa nopeasti plasman lämpötilaa.

Livermoren fuusio-ohjelman päätutkija Omar Hurricane väittää, että tämä sytytyksen fysiikkaan perustuva määritelmä - yksinkertaisen "energiakatkaisu" -kuvauksen sijaan on se, jolla on todella merkitystä. Kuvailemalla lopullista nollatulosta "seuraavaksi PR-tapahtumaksi", hän kuitenkin sanoo, että se on edelleen tärkeä virstanpylväs, jonka hän ja hänen kollegansa haluavat saavuttaa. Itse asiassa fyysikot Livermoren laboratorion ulkopuolelta ovat varmoja, että paljon keskusteltu kohde osuu. Steven Rose Imperial Collegessa Yhdistyneessä kuningaskunnassa uskoo, että "kaikki mahdollisuudet" saavutetaan.

Ennätysvoitto

Yritetään valjastaa fuusio sisältää kevyiden ytimien plasman kuumentamisen siihen pisteeseen, jossa nämä ytimet voittavat keskinäisen hylkäyksensä ja yhdistyvät muodostaen raskaamman alkuaineen. Prosessi tuottaa uusia hiukkasia – deuteriumin ja tritiumin tapauksessa heliumytimiä (alfahiukkasia) ja neutroneja – sekä valtavia määriä energiaa. Jos plasmaa voidaan pitää sopivan valtavissa lämpötiloissa ja paineissa riittävän pitkään, alfahiukkasten tulisi tarjota riittävästi lämpöä ylläpitääkseen reaktiot yksinään, kun taas neutronit voidaan mahdollisesti siepata höyryturbiinin tehostamiseksi.

Fuusiotokamakit käyttävät magneettikenttiä plasman rajoittamiseen melko pitkiä aikoja. NIF "inertiarajoituslaitteena" sen sijaan hyödyntää äärimmäisiä olosuhteita, jotka on luotu ohikiitäväksi hetkeksi pienessä määrässä erittäin puristettua fuusiopolttoainetta, ennen kuin se laajenee uudelleen. Polttoaine sijoitetaan halkaisijaltaan 2 mm pallomaiseen kapseliin, joka sijaitsee noin 1 cm pitkän lieriömäisen metallisen "hohlraumin" keskellä ja räjähtää, kun NIF:n tarkasti suunnatut lasersäteet osuvat hohlraumin sisäpuolelle ja synnyttävät tulvan. röntgenkuvat.

Tokamakkeja poiketen NIF:ää ei suunniteltu ensisijaisesti esittelemään energiaa, vaan se toimii ydinaseiden räjähdyksiä simuloivien tietokoneohjelmien tarkastuksena, koska Yhdysvallat lopetti live-testauksen vuonna 1992. Sen jälkeen, kun se otettiin käyttöön vuonna 2009, se kuitenkin pian Kävi ilmi, että sen omaa toimintaa ohjaavat ohjelmat olivat aliarvioineet asiaan liittyvät vaikeudet erityisesti plasman epävakauksien käsittelyssä ja sopivan symmetristen imploosioiden luomisessa. Koska NIF ei saavuttanut alkuperäistä tavoitetta saavuttaa sytytys vuoteen 2012 mennessä, laboratoriota valvova Yhdysvaltain kansallinen ydinturvallisuusviranomainen jätti tämän tavoitteen syrjään keskittyäkseen aikaa vievään tehtävään ymmärtää paremmin räjähdysdynamiikkaa.

Alkuvuodesta 2021 kokeellisten muutosten jälkeen Hurricane ja kollegat osoittivat lopulta, että he voisivat käyttää laseria niin sanotun palavan plasman luomiseen – jossa alfahiukkasten lämpö ylittää ulkoisen energialähteen. Sitten he tekivät sarjan lisäsäätöjä, mukaan lukien hohlraumin laserin sisääntuloreikien kutistaminen ja laserin huipputehon alentaminen. Vaikutus oli siirtää osa röntgenenergiasta myöhempään otokseen, mikä nosti ydinpolttoaineeseen siirrettyä tehoa - nostaen sen tarpeeksi korkealle ylittääkseen säteily- ja johtavuushäviöt.

Elokuussa 2021 NIF-tutkijat nauhoittivat maamerkkikuvansa "N210808". Polttoaineen keskellä sijaitsevan hotspotin lämpötila oli tässä tapauksessa noin 125 miljoonaa kelviniä ja energian saanto 1.37 MJ – noin kahdeksan kertaa korkeampi kuin edellinen paras tulos, joka saatiin aiemmin tänä vuonna. Tämä uusi saanto merkitsi "tavoitevahvistusta" 0.72 - verrattuna laserin 1.97 MJ tehoon - ja "kapselin vahvistusta" 5.8, kun sen sijaan otetaan huomioon kapselin absorboima energia. 

Vielä tärkeämpää on, että hurrikaanin osalta kokeilu täytti myös niin sanotun Lawsonin syttymiskriteerin. Insinööri ja fyysikko John Lawson laati ensimmäisen kerran vuonna 1955, ja siinä määritellään olosuhteet, joissa fuusion itsekuumeneminen ylittää johtumisen ja säteilyn kautta menetettävän energian. Hurricane sanoo, että NIF-tulokset täyttivät yhdeksän erilaista inertiarajoitusfuusion kriteerin muotoilua, mikä osoittaa syttymisen "ilman epäselvyyttä".

Kolme laukausta ja olet poissa

Ennätyksellisen laukauksen jälkeen Hurricane ja jotkut hänen tutkijatovereistaan ​​NIF:ssä halusivat toistaa menestyksensä. Mutta laboratorion johto ei ollut niin innostunut. Mukaan Mark Herrmann, Livermoren perusasefysiikan apulaisjohtaja, N210808:n jälkeen perustettiin useita työryhmiä arvioimaan seuraavia vaiheita. Hän kertoo, että noin 10 inertiarajoituksen asiantuntijasta koostuva johtoryhmä kokosi havainnot yhteen ja laati suunnitelman, jonka se esitteli syyskuussa.

Herrmann kertoo, että suunnitelma sisälsi kolme osaa – N210808:n jäljentäminen; ennätyksellisen laukauksen mahdollistaneiden koeolosuhteiden analysointi; ja yrittää saada "vankkaa megajouleen tuottoa". Keskustelu ensimmäisestä kohdasta koski Herrmannin mukaan "suureksi erilaisia ​​mielipiteitä" noin 100 fuusio-ohjelman parissa työskentelevän tiedemiehen kesken. Lopulta, ottaen huomioon "rajoitetut resurssit" ja rajoitetun määrän kohteita N210808:a sisältävässä erässä, hän sanoo, että johtoryhmä päätyi vain kolmeen lisälaukaukseen.

Hurrikaanilla on hieman erilainen muistikuva, jonka mukaan toistoa oli neljä. Hän sanoo, että nämä kokeet suoritettiin noin kolmen kuukauden aikana, ja niiden tuotto vaihteli alle viidenneksestä noin puoleen elokuussa saavutetusta. Mutta hän väittää, että nämä laukaukset olivat edelleen "erittäin hyviä kokeita", ja lisäsi, että ne myös täyttivät joitain Lawson-kriteerin muotoiluja. Ero suorituskyvyssä, hän sanoo, "ei ole niin binaarinen kuin ihmiset ovat kuvanneet".

Plasmapäällystysprosessi on resepti, joten kuten leivän leivonta, se ei tule joka kerta täsmälleen samanlaista

Omarin hurrikaani

Siitä, mikä aiheutti tämän valtavan tuotannon vaihtelun, Herrmann sanoo, että johtava hypoteesi on tyhjiöt ja jaot polttoainekapseleissa, jotka on valmistettu teollisuustimantista. Hän selittää, että nämä epätäydellisyydet voivat vahvistua räjähdysprosessin aikana, jolloin timantti pääsee kuumaan kohtaan. Koska hiilellä on suurempi atomiluku kuin deuteriumilla tai tritiumilla, se voi säteillä paljon tehokkaammin, mikä jäähdyttää kuumaa pistettä ja alentaa suorituskykyä. 

Hurricane on samaa mieltä siitä, että timantilla on todennäköisesti tärkeä rooli laukausten suorituskyvyn vaihtelemisessa. Hän huomauttaa, että suuria vaihteluita tuotannossa on odotettavissa, kun otetaan huomioon NIF:n imploosioiden epälineaarisuus, ja hän sanoo, että mukana olevat tutkijat eivät täysin ymmärrä kapseleiden valmistuksessa käytettyä plasmapinnoitusprosessia. "Se on resepti", hän sanoo, "joten aivan kuten leivän leivonta, se ei tule joka kerta täsmälleen samanlaista."

Tie fuusioenergiaan

Hurricane sanoo, että tiimi tutkii nyt useita tapoja lisätä NIF:n tuotantoa kapselin laadun parantamisen lisäksi. Näitä ovat kapselin paksuuden muuttaminen, hohlraumin koon tai geometrian muuttaminen tai mahdollisesti laserpulssienergian lisääminen noin 2.1 MJ:iin kohteen vaatiman tarkkuuden alentamiseksi. Hän sanoo, että tavoitevahvistuksessa ei ole "ei maagisia lukuja", mutta lisää, että mitä suurempi vahvistus, sitä suurempi on parametritila, jota voidaan tutkia varastonhoidossa. Hän huomauttaa myös, että 1:n vahvistus ei tarkoita, että laitos tuottaa nettoenergiaa, kun otetaan huomioon, kuinka vähän tulevasta sähköenergiasta laser muuntaa valoksi kohteessa – NIF:n tapauksessa alle 1 %.

Pitkä tie syttymiseen

Michael Campbell Rochesterin yliopistosta Yhdysvalloissa arvioi, että NIF voisi saavuttaa vähintään 1:n voiton "seuraavien 2–5 vuoden aikana", jos hohlraumia ja tavoitetta parannetaan riittävästi. Mutta hän väittää, että kaupallisesti merkityksellisten 50–100 voittojen saavuttaminen edellyttäisi todennäköisesti siirtymistä NIF:n "epäsuorasta ohjauksesta", joka tuottaa röntgensäteitä kohteen pakkaamiseksi, mahdollisesti tehokkaampaan, mutta hankalampaan "suoraan ohjaukseen", joka perustuu itse lasersäteilyä.

Huolimatta useista miljardeista dollareista, joita todennäköisesti tarvitaan, Campbell on optimistinen, että sopiva suoraajolaitos voi osoittaa tällaisia ​​voittoja 2030-luvun loppuun mennessä – varsinkin, jos yksityinen sektori on mukana. Hän kuitenkin varoittaa, että kaupalliset voimalaitokset todennäköisesti aloittaisivat toimintansa ainakaan vuosisadan puolivälissä. "Fuusioenergia on pitkällä aikavälillä", hän sanoo. "Mielestäni ihmisten on oltava realistisia haasteiden suhteen."