A National Ignition Facility lézerfúziós mérföldköve vitát vált ki

Tavaly augusztus 8-án az egyesült államokbeli Lawrence Livermore National Laboratory fizikusai a világ legnagyobb lézerével végeztek rekordméretű kísérletet. A 192 milliárd dollár 3.5 gerendáját alkalmazva Országos gyújtóüzem (NIF) egy borsszem méretű, deutériumot és tríciumot tartalmazó kapszulát robbantottak fel, és a két hidrogénizotóp összeolvadását idézték elő, és a másodperc töredéke alatt önfenntartó fúziós reakciót váltottak ki. Mivel az eljárás a lézerhez felhasznált energia több mint 70%-át adja le, a felfedezés azt sugallja, hogy az óriási lézerek mégis lehetővé tehetik a biztonságos, tiszta és lényegében korlátlan energia új forrását.

Az eredmény ünnepi hangulatba hozta a Livermore-i laboratórium kutatóit, akik több mint egy évtizeden át küzdöttek azért, hogy jelentős előrelépést érjenek el. A kezdeti izgalom azonban hamar alábbhagyott, amikor az eredmény reprodukálására tett többszöri próbálkozás elmaradt – a legjobb esetben is csak a fele volt a rekordteljesítménynek. Mivel a Livermore vezetése úgy döntött, hogy csak néhány megismételt kísérletet próbál meg, a labor felfüggesztette a fedezeti törekvést, és ehelyett megpróbálta kitalálni, hogy mi okozza a teljesítmény ingadozását.

A NIF kritikusai számára a legutóbbi pályakorrekció nem okozott meglepetést, nyilvánvalóan ismét szemlélteti a létesítmény alkalmatlanságát a robusztus fúziósenergia-termelés próbapadjaként. Sok tudós azonban továbbra is optimista, és maguk a NIF-kutatók is harcba álltak, és a közelmúltban publikálták a rekordot döntõ lövésének eredményét. Fizikai áttekintés betűk (129 075001). Ragaszkodnak amellett, hogy végül is elérték a „gyulladást”, elérték azt a pontot, ahol a fúziós reakciókból származó felmelegedés meghaladja a hűtést, ami egy pozitív visszacsatolási hurkot hoz létre, amely gyorsan növeli a plazma hőmérsékletét.

Omar Hurricane, a Livermore fúziós programjának vezető tudósa azt állítja, hogy a gyújtásnak ez a fizikán alapuló meghatározása – az egyszerű „energiakiegyenlítési” leírás helyett – az, ami igazán számít. A nullszaldós eredmény elérését „a következő PR-eseménynek” nevezve ennek ellenére azt mondja, hogy ez továbbra is fontos mérföldkő, amelyet kollégáival el akarnak érni. A livermore-i laboron túli fizikusok valóban biztosak abban, hogy a sokat vitatott célpontot el fogják találni. Steven Rose az Egyesült Királyság Imperial College-jában úgy véli, hogy „minden esély megvan” a fedezet elérésére.

Rekord nyereség

A fúzió kihasználásának kísérlete a könnyű atommagok plazmájának felmelegítését jelenti addig a pontig, ahol ezek az atommagok legyőzik kölcsönös taszításukat, és egyesülve nehezebb elemet alkotnak. A folyamat során új részecskék – deutérium és trícium, héliummagok (alfa részecskék) és neutronok –, valamint hatalmas mennyiségű energia keletkezik. Ha a plazmát megfelelően nagy hőmérsékleten és nyomáson elég sokáig el lehet tartani, akkor az alfa-részecskéknek elegendő hőt kell biztosítaniuk a reakciók önmagukban történő fenntartásához, miközben a neutronokat potenciálisan el lehet fogni, hogy egy gőzturbinát üzemeltethessenek.

A fúziós tokamakok mágneses mezőket használnak a plazmák meglehetősen hosszú időszakon át történő korlátozására. A NIF, mint „inerciális bezárású” eszköz, ehelyett kihasználja azokat az extrém körülményeket, amelyek egy röpke pillanatra létrejöttek egy kis mennyiségű, erősen sűrített fúziós tüzelőanyag belsejében, mielőtt az újra kitágulna. Az üzemanyagot egy 2 mm átmérőjű, gömb alakú kapszulába helyezik, amely egy nagyjából 1 cm hosszú, hengeres fém „hohlraum” közepén helyezkedik el, és felrobban, amikor a NIF pontosan irányított lézersugarai becsapódnak a hohlraum belsejébe, és áramlást generálnak. röntgensugarak.

A tokamakokkal ellentétben a NIF-et nem elsősorban az energia demonstrálására tervezték, hanem az atomfegyverek robbantásának szimulálására használt számítógépes programok ellenőrzésére szolgál – tekintettel arra, hogy az USA 1992-ben beszüntette az éles tesztelést. A 2009-es bekapcsolása után azonban hamarosan nyilvánvalóvá vált, hogy a saját műveleteinek irányítására használt programok alábecsülték az ezzel járó nehézségeket, különösen a plazma instabilitásának kezelése és a megfelelően szimmetrikus összeomlások létrehozása során. Mivel a NIF elmulasztotta a kezdeti célt, hogy 2012-re begyulladjon, az Egyesült Államok Nemzeti Nukleáris Biztonsági Hivatala, amely felügyeli a laboratóriumot, félretette ezt a célt, és az időigényes feladatra, az implóziódinamika jobb megértésére összpontosított.

2021 elején, egy sor kísérleti módosítást követően, a Hurricane és munkatársai végre megmutatták, hogy a lézer segítségével képesek létrehozni az úgynevezett égő plazmát – amelyben az alfa-részecskék hője meghaladja a külső energiaellátást. Ezután egy sor további módosítást hajtottak végre, beleértve a hohlraum lézerbemeneti nyílásait és csökkentették a lézer csúcsteljesítményét. A hatás az volt, hogy a röntgenenergia egy része későbbre tolódott el, ami megnövelte a nukleáris üzemanyagra átadott energiát – elég magasra tolva azt ahhoz, hogy meghaladják a sugárzási és vezetői veszteségeket.

2021 augusztusában a NIF kutatói rögzítették a mérföldkőnek számító „N210808” felvételt. Az üzemanyag közepén lévő hotspot ebben az esetben 125 millió kelvin körüli hőmérsékletű és 1.37 MJ energiahozamú volt, ami mintegy nyolcszorosa az év elején elért korábbi legjobb eredménynek. Ez az új hozam 0.72-es „célnyereséget” jelentett – a lézer 1.97 MJ teljesítményéhez képest – és 5.8-as „kapszula-erősítést”, ha ehelyett a kapszula által elnyelt energiát vesszük figyelembe. 

Ennél is fontosabb, hogy a hurrikánnal kapcsolatban a kísérlet teljesítette az úgynevezett Lawson-kritériumot is. Először John Lawson mérnök és fizikus fogalmazta meg 1955-ben, és meghatározza azokat a feltételeket, amelyek mellett a fúziós önmelegedés meghaladja a vezetés és a sugárzás által elvesztett energiát. A Hurricane azt mondja, hogy a NIF-eredmények a tehetetlenségi zárt fúzió kritériumának kilenc különböző megfogalmazását teljesítették, így „kétértelműség nélkül” bizonyítják a gyulladást.

Három lövés, és kint vagy

A rekordot döntõ lövést követõen a Hurricane és néhány tudóstársa a NIF-nél szívesen megismételték sikerüket. De a labor vezetése nem volt olyan lelkes. Alapján Mark Herrmann, majd a Livermore alapvető fegyverfizikáért felelős igazgatóhelyettese, az N210808 nyomán több munkacsoportot hoztak létre a következő lépések felmérésére. Azt mondja, hogy egy körülbelül 10 tehetetlenségi zárt szakértőből álló vezetői csapat összegyűjtötte ezeket a megállapításokat, és tervet készített, amelyet szeptemberben terjesztett elő.

Herrmann azt mondja, hogy a terv három részből állt – az N210808 reprodukálásának kísérlete; a rekordlövést lehetővé tevő kísérleti körülmények elemzése; és „robusztus megajoule hozamokat” próbálnak elérni. Az első pont megvitatása a Herrmann által a fúziós programon dolgozó mintegy 100 tudós „véleményének sokféleségeként” leírtakat érintette. Végül, tekintettel a „korlátozott erőforrásokra” és az N210808-at tartalmazó köteg korlátozott számú célpontjára, azt mondja, hogy a vezetőség mindössze három további lövés mellett döntött.

A hurrikánnak kicsit más emlékei vannak, mondván, négy ismétlődés volt. Elmondása szerint ezeket a kísérleteket nagyjából három hónapon keresztül hajtották végre, és az augusztusban elértnek kevesebb mint egyötödétől a feléig terjedő hozamot értek el. De fenntartja, hogy ezek a felvételek még mindig „nagyon jó kísérletek” voltak, hozzátéve, hogy a Lawson-kritérium néhány megfogalmazását is kielégítették. A teljesítménybeli különbségek szerinte „nem olyan bináris, mint ahogyan azt az emberek ábrázolják”.

A plazmabevonás egy recept, így a kenyérsütéshez hasonlóan ez sem minden alkalommal jön ki pontosan

Omar hurrikán

Azzal kapcsolatban, hogy mi okozta ezt a hatalmas ingadozást a kibocsátásban, Herrmann azt mondja, hogy a vezető hipotézis az üregek és repedések az üzemanyag-kapszulákban, amelyek ipari gyémántból készülnek. Elmagyarázza, hogy ezek a tökéletlenségek az implóziós folyamat során felerősödhetnek, amitől a gyémánt a forró pontba kerül. Tekintettel arra, hogy a szén atomszáma magasabb, mint a deutérium vagy a trícium, sokkal hatékonyabban tud sugározni, ami lehűti a forró pontot és csökkenti a teljesítményt. 

A Hurricane egyetért abban, hogy a gyémánt valószínűleg fontos szerepet játszik a lövésről lövésre való teljesítmény változtatásában. Rámutatva arra, hogy a NIF implózióinak nemlinearitása miatt a teljesítményben nagy eltérések várhatók, azt mondja, hogy az érintett tudósok nem értik teljesen a kapszulák gyártása során használt plazmabevonó eljárást. „Ez egy recept – mondja –, szóval, mint a kenyérsütés, ez sem minden alkalommal ugyanolyan jól sül ki.”

Út a fúziós energiához

A Hurricane szerint a csapat jelenleg számos módszert vizsgál a NIF teljesítményének növelésére a kapszula minőségének javítása mellett. Ezek közé tartozik a kapszula vastagságának megváltoztatása, a hohlraum méretének vagy geometriájának megváltoztatása, vagy esetleg a lézerimpulzus energia körülbelül 2.1 MJ-ra történő növelése a célponthoz szükséges pontosság csökkentése érdekében. Azt mondja, hogy „nincs mágikus szám”, amikor a célerősítésről van szó, de hozzáteszi, hogy minél nagyobb az erősítés, annál nagyobb a készletkezelés során feltárható paramétertér. Arra is felhívja a figyelmet, hogy az 1-es erősítés nem jelenti azt, hogy a létesítmény nettó energiát termel, tekintettel arra, hogy a bejövő elektromos energiából a lézer milyen keveset alakít fénnyé a célponton – a NIF esetében kevesebb, mint 1%.

Hosszú út a gyulladásig

Michael Campbell, a Rochesteri Egyetem munkatársa az Egyesült Államokban úgy számol, hogy a NIF legalább 1-szeres nyereséget érhet el „a következő 2–5 évben”, ha a hohlraum és a cél megfelelő javulást mutat. Amellett érvel, hogy a kereskedelmileg releváns, 50–100 közötti nyereség eléréséhez valószínűleg át kell váltani a NIF „közvetett meghajtójáról”, amely röntgensugárzást generál a célpont tömörítésére, a potenciálisan hatékonyabb, de trükkösebb „közvetlen meghajtásra”, amely a célpont tömörítésére szolgál. maga a lézersugárzás.

Annak ellenére, hogy több milliárd dollárra lesz szükség, Campbell optimista, hogy egy megfelelő közvetlen meghajtású létesítmény a 2030-as évek végére ilyen hasznot tud produkálni – különösen, ha a magánszektor is részt vesz benne. Arra azonban figyelmeztet, hogy a kereskedelmi erőművek valószínűleg csak a század közepén kezdik meg működésüket. „A fúziós energia hosszú távra szól – mondja –, úgy gondolom, hogy az embereknek reálisan kell bánniuk a kihívásokkal.”