National Ignition Facilityn sytytyksen virstanpylväs antaa uutta sysäystä laserfuusiolle

Reilusti yli vuosikymmenen ajan fyysikot Lawrence Livermore National Laboratory Kaliforniassa ovat yrittäneet tehdä laboratoriossa jotain, mitä oli koskaan aiemmin tapahtunut vetypommien taistelukärkien sisällä. Heidän tavoitteenaan on ollut käyttää voimakkaita valopulsseja maailman suurimmasta laserista – 3.5 miljardin dollarin arvosta. Kansallinen sytytyslaitos (NIF) – murskaamaan pieniä vetypolttoainekapseleita siten, että niissä syntyvät poikkeukselliset lämpötilat ja paineet saavat aikaan energiaa tuottavia fuusioreaktioita. Viime vuoden loppuun asti sarja teknisiä takaiskuja esti heitä saavuttamasta tavoitettaan, joka tunnetaan nimellä sytytys. Mutta juuri kello 1 jälkeen 5. joulukuuta laserin fokusta ympäröivissä ilmaisimissa tavallista suurempi neutronipurske. merkitsi onnistumista – tässä tapauksessa reaktiot ovat tuottaneet yli 1.5 kertaa kuluttamansa energian.

Teos loi otsikoita ympäri maailmaa ja viritti yleisön, poliitikkojen ja fuusioasiantuntijoiden mielikuvitusta. Yhdysvaltain energiaministeri Jennifer Granholm ylisti "maamerkkisaavutusta". Michael Campbell Rochesterin yliopistosta Yhdysvalloissa kuvattiin tulosta "Wright Brothersin hetkeksi" fuusiotutkimukselle. varten Steven Rose Lontoon Imperial Collegesta, ilmoitus poistaa kaikki piilevät epäilykset siitä, että näin korkeat fuusioenergiat ovat saavutettavissa. "Jos et saa yhtä suurempaa energianlisäystä, ihmiset saattavat väittää, ettet voi koskaan saavuttaa sitä", hän sanoo.

Tulos uudisti optimismin siitä, että fuusio saattaa vihdoin mahdollistaa uuden puhtaan, turvallisen, varman ja kestävän energialähteen. Nyt hallitukset ja erityisesti yksityiset yritykset pyrkivät hyödyntämään fuusioenergian valtavaa potentiaalia – ja jotkut yritykset jopa lupaavat toimittaa sähköä verkkoon pilottivoimaloista seuraavan vuosikymmenen alkuun mennessä.

Jotkut tiedemiehet kuitenkin katsovat, että tällaiset aikataulut ovat epärealistisia, kun otetaan huomioon fuusioenergian tiellä edelleen olevat valtavat tekniset esteet. Toiset väittävät, että 10–15 vuoden aikahorisontti on mahdollinen, kunhan tutkijat ja heidän rahoittajat omaksuvat oikean ajattelutavan. varten Troy Carter Kalifornian yliopistosta Los AngelesistaTämä tarkoittaa, että luotamme suuriin, kalliisiin ja keskitettyihin tiloihin, kuten jalkapallostadionin kokoiseen NIF:iin, ja sen sijaan siirtymistä pienempiin, halvempiin projekteihin, joita johtaa riskiä sietävämpi yksityinen sektori. "Meidän on muutettava tapaamme tehdä liiketoimintaa", hän sanoo.

Lopulta tavoitteessa

Kevyiden ytimien sulautuessa vapautuvan energian hyödyntäminen vaatii ydinpolttoaineen pitämistä plasman muodossa noin 100 miljoonan kelvinin lämpötiloissa. Yksi tapa tehdä tämä on sulkea plasma magneettikenttään melko pitkiksi ajoiksi samalla kun sitä lämmitetään radioaaloilla tai hiukkassäteillä. Toistaiseksi tällainen "magneettinen rajoitus" on ollut fyysikkojen suosima reitti fuusioenergiaan. Tätä hyödynnetään sekä maailman kalleimmissa julkisissa että yksityisissä reaktoreissa: 20+ miljardia dollaria ITER Etelä-Ranskassa rakenteilla oleva laitos ja yrityksen rakentama kone Kansainyhteisön fuusiojärjestelmät Yhdysvaltojen Bostonin ulkopuolella, joka on tähän mennessä kerännyt vähintään 2 miljardia dollaria rahoitusta.

Sen sijaan, että yritettäisiin saavuttaa vakaa tila, "inertiarajoitus" -reaktorit toimivat jossain määrin kuin polttomoottori - tuottavat energiaa toistuvien räjähdysten kautta, jotka luovat ohikiitävästi valtavia lämpötiloja ja paineita. NIF tekee tämän vahvistamalla ja kohdistamalla 192 lasersädettä pieneen onttoon metallisylinteriin, jonka keskellä on pippurin kokoinen kapseli, joka sisältää deuteriumin ja tritiumin vetyisotooppeja. Sylinterin seinistä syntyneet röntgensäteet räjähtävät pois kapselin ulkopinnalta ja pakottavat loput kapselista sisäänpäin liikemäärän säilymisen ansiosta ja saavat sen sisällä olevat deuterium- ja tritiumytimet sulautumaan – prosessissa vapauttaen alfahiukkasia (heliumytimiä) ), neutroneja ja paljon energiaa.

Tämä prosessi on äärimmäisen vaativa, ja se vaatii poikkeuksellisen tarkan säteen tarkennuksen ja erittäin sileät kapselit fuusiossa tarvittavien lähes täysin symmetristen törmäysten varmistamiseksi. Itse asiassa, muun muassa räjähdysten ja kapseleiden vikojen aiheuttamat plasman epävakaudet tarkoittivat sitä, että Livermore-tutkijat jäivät selvästi alle alkuperäisen syttymistavoitteensa (tai "tuoton") vuoteen 2012 mennessä. Mutta useiden huolellisten mittausten ansiosta peräkkäisillä laserlaukauksilla he pystyivät asteittain parantamaan kokeellista kokoonpanoaan ja lopulta ampumaan historiallisen laukauksen – tuottivat 3.15 miljoonaa joulea (MJ) fuusioenergiaa, kun he olivat toimittaneet 2.05 MJ laserenergiaa kohteeseen.

Omar Hurricane, Livermoren inertiaeristysfuusio-ohjelman johtava tutkija, sanoo, että he aikovat nyt "priorisoida" työnsä saavuttaakseen suurempia, toistettavia hyötyjä lisäämällä NIF:n laserenergiaa noin 0.2 MJ:n askelin. He aikovat myös tutkia kapselien sisällä olevan ydinpolttoaineen paksuuden vaihtelun ja sylinterin lasersisääntuloreikien koon pienentämisen vaikutusta. Hän kuitenkin huomauttaa, että NIF:ää ei koskaan suunniteltu demonstroimaan käytännöllistä fuusioenergiaa - koska laitoksen päätarkoitus on tarjota kokeellisia tietoja Yhdysvaltojen (ei enää testattujen) ydinasevarastojen tukemiseksi. NIF on sellaisenaan erittäin tehoton – sen 2 MJ:n salamalampulla pumppaava laser vaatii noin 400 MJ sähköenergiaa, mikä vastaa vain 0.5 %:n "seinäpistokkeen" tehokkuutta.

National Ignition Facility osoittaa fuusioenergian nettohyödyntämisen maailmassa ensimmäisenä

Riccardo Betti Rochesterin yliopistosta sanoo, että nykyaikaiset diodeilla pumppaavat laserit voisivat saavuttaa jopa 20 prosentin hyötysuhteen, mutta huomauttaa, että voimalaitoksille vaadittavat marginaalit (mukaan lukien lämmön muuntamisen yhteydessä sähköksi menetetty energia) tarkoittavat, että jopa nämä laitteet tarvitsevat tavoitehyötyjä "vähintään 50- 100” (verrattuna NIF:n 1.5:een). Heidän on myös "amputtava" useita kertoja sekunnissa, kun taas NIF tuottaa laukauksen vain noin kerran päivässä. Tämä korkea toistonopeus vaatisi massatuotettuja kohteita, jotka maksavat korkeintaan muutaman kymmenen sentin, verrattuna satojen tuhansien dollareiden tarvittaviin NIF-kohteisiin (jotka on valmistettu kullasta ja synteettisestä timantista).

Markkinoille tulo

Yksi yritys, joka uskoo voivansa kaupallistaa fuusioenergiaa kaikista esteistä huolimatta, on kalifornialainen yritys Longview Fusion Energy Systems. Useat entiset Livermore-tutkijat, mukaan lukien entinen NIF-johtaja Edward Moses, perustivat vuonna 2021. Longview pyrkii yhdistämään NIF:n kohdesuunnittelun diodipumpattuihin solid-state lasereihin. Yhtiö ilmoitti olemassaolostaan ​​samana päivänä, kun Livermore ilmoitti NIF:n ennätyslaukauksesta, sanoen, että se aikoi aloittaa pilottivoimalaitoksen rakentamisen seuraavan viiden vuoden aikana.

Longview kertoo, että se aikoo toimittaa verkkoon 50 MW sähköä viimeistään vuoteen 2035 mennessä. Yritys myöntää, että tämä ei tule olemaan helppoa, sillä laserin tehokkuus ja toistotaajuus ovat 18 % ja 10–20 Hz. Siinä sanotaan erityisesti, että vaikka tarvittavat diodit on jo olemassa, niitä "ei ole vielä pakattu integroituun sädelinjaan fuusiomittakaavan laseria varten". Mutta se on edelleen varma, että se pystyy noudattamaan määräaikaa, ja toteaa, että laser on kaksinkertainen pilottilaitokselle vaadittavasta optiikkavauriokynnyksestä.

Kaikki eivät ole vakuuttuneita. Stephen Bodner, aiemmin Washington DC:ssä sijaitsevan US Naval Research Laboratoryn laserfuusio-ohjelman johtaja, väittää, että NIF:n "epäsuora ajo" -tekniikka tuhlaa liikaa energiaa röntgensäteiden tuottamiseen (sen sijaan, että valaisi polttoainekapseleita suoraan). Hän suhtautuu myös skeptisesti Longviewin väitteeseen, jonka mukaan se voi laskea tavoitekustannukset alle 0.30 dollariin jakamalla huomattavat suunnittelu- ja pääomakustannukset 500 miljoonan tavoitteen yli, jonka se sanoo tarvitsevansa pilottilaitokseensa. "NIF:ssä käytetyn kaltaista fuusiokohdetta ei ole mahdollista parantaa tarpeeksi kaupallista fuusioenergiaa varten", hän sanoo.

National Ignition Facilityn laserfuusion virstanpylväs herättää keskustelua

Silti Longview ei ole kaukana yksin uskoessaan, että sillä on käsillä oleva tekniikka fuusioenergian tuomiseksi maailmaan. Viime vuonna tehty raportti mukaan Fuusioteollisuusliitto kauppajärjestö listaa 33 yritystä Yhdysvalloissa ja muualla työskentelemässä fuusioteknologian parissa – joista monilla on myös aggressiivisia aikatauluja voimaloiden kehittämiseen. Yksi tällainen yritys on Ensimmäinen valo, joka sijaitsee lähellä Oxfordia, Iso-Britanniaa. Sen sijaan, että käyttäisit laserpulsseja polttoainekapseleiden puristamiseen, First Light laukaisee materiaaliammuksia – postimerkin muotoisia metallikappaleita – erittäin suurilla nopeuksilla käyttämällä valtavan kondensaattoripankin tarjoamaa sähkömagneettista voimaa, joka purkautuu lähes välittömästi. Ammukset iskevät erityisesti valmistettuihin kohteisiin, joista jokainen ohjaa ja lisää iskupainetta sisälle upotettuun polttoainekapseliin.

Yritys on tähän mennessä kerännyt noin 80 miljoonaa puntaa rahoitusta ja osoittanut fuusiota käyttämällä Euroopan suurinta pulssivoimalaitosta. Toisen perustajan ja toimitusjohtajan Nicholas Hawkerin mukaan seuraavat vaiheet ovat sytytyksen demonstroiminen paljon suuremmalla koneella noin viiden vuoden kuluttua ja sitten pilottilaitoksella "2030-luvun alussa tai puolivälissä". Hawker myöntää, että edessä on lukuisia haasteita – kuten ammusten lataaminen peräkkäin ja sopivan kestävien suurjännitekytkimien kehittäminen – mutta hän on varma, että järjestelmän fysiikka on vakaa. "Polttoainekapseli on täsmälleen sama kuin NIF:n, joten viimeaikainen tulos vähentää merkittävästi myös järjestelmäämme." 

Käteistä tarvitaan

Mitä tulee fysiikkaan, Betti arvioi, että inertiarajoitusfuusio on parempi paikka kuin magneettinen rajoitus. Vaikka NIF on nyt osoittanut, että edellinen voi synnyttää itseään ylläpitäviä reaktioita, hän väittää, että lähellä syttymisrajaa syntyneet epävakaudet tarkoittavat, että on edelleen suuria epävarmuustekijöitä siitä, voivatko tokamakit seurata perässä. Siitä huolimatta hän sanoo, että molempien fuusiomuotojen on voitettava valtavia esteitä, jos ne haluavat tuottaa taloudellisesti kilpailukykyistä energiaa – mukaan lukien laserfuusion massatuotettujen kohteiden suuri hyöty. "Minun on vaikea uskoa, että energiajärjestelmä voi olla valmis 10 vuodessa", hän sanoo.

NIF-tutkijat tekivät erinomaista työtä viimeisen vuosikymmenen aikana ratkaistakseen joitain erittäin vaikeita fysiikan ongelmia. Heidän tulee saada tunnustusta suuresta työstään

Stephen Bodner

Carter on optimistisempi. Hän väittää, että koelaitokset voitaisiin toteuttaa noin vuosikymmenen kuluttua, kunhan yksityiset yritykset johtavat rakentamistaan, kun taas hallitukset tukevat perustutkimusta, kuten säteilyä kestävien materiaalien tutkimusta. Hän kuitenkin varoittaa, että tarvittava rahoitus tulee olemaan huomattava - noin 500 miljoonaa dollaria vuodessa Yhdysvaltain hallituksen tapauksessa. Jos rahat saadaan, hän lisää, täysimittaiset kaupalliset laitokset saattavat sitten käynnistyä "aikaemmin kuin 2050".

Mitä tulee teknologiaan, joka päätyy tehtaiden sisälle, Bodner väittää, että se ei perustu epäsuoraan käyttöön. Todennäköisimmin hän väittää, että kyseessä on inertiaerottelu, joka perustuu erilaiseen laserjärjestelmään, kuten argon-fluoridikaasulaseriin. Mutta hän myöntää, että minkä tahansa järjestelmän laajentaminen tuo epävarmuutta. Ja hän kehuu NIF:n tutkijoita fuusiotutkimuksen saamisesta tähän pisteeseen. "He tekivät erinomaista työtä viimeisen vuosikymmenen aikana ratkaiseessaan erittäin vaikeita fysiikan ongelmia", hän sanoo. "Heidän pitäisi saada tunnustusta suuresta työstään."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/