Tonggak pengapian National Ignition Facility memicu dorongan baru untuk fusi laser

Selama lebih dari satu dekade, fisikawan di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore di California telah mencoba melakukan sesuatu di lab yang sebelumnya hanya pernah terjadi di dalam hulu ledak bom hidrogen. Tujuan mereka adalah menggunakan gelombang cahaya intens dari laser terbesar di dunia – $3.5 miliar Fasilitas Pengapian Nasional (NIF) – untuk menghancurkan kapsul kecil bahan bakar hidrogen sehingga suhu dan tekanan luar biasa yang tercipta di dalamnya menghasilkan reaksi fusi yang menghasilkan energi. Hingga akhir tahun lalu, serangkaian kemunduran teknis menghalangi mereka untuk mencapai tujuan mereka, yang dikenal sebagai pengapian. Tapi tepat setelah jam 1 pagi pada tanggal 5 Desember, ledakan neutron yang lebih besar dari biasanya di detektor yang mengelilingi fokus laser menandakan keberhasilan – reaksi dalam hal ini telah menghasilkan lebih dari 1.5 kali energi yang mereka konsumsi.

Prestasi itu menjadi berita utama di seluruh dunia dan merangsang imajinasi publik, politisi, dan pakar fusi. Sekretaris energi AS Jennifer Granholm memuji "pencapaian penting", sementara Michael Campbell dari Universitas Rochester di AS menggambarkan hasilnya sebagai "momen Wright Brothers" untuk penelitian fusi. Untuk Steven Rose dari Imperial College London, pengumuman tersebut menghilangkan keraguan yang tersisa bahwa energi fusi setinggi itu dapat dicapai. "Jika Anda tidak mendapatkan perolehan energi lebih besar dari satu, orang mungkin mengklaim Anda tidak akan pernah bisa mencapainya," katanya.

Hasilnya memperbaharui optimisme bahwa fusi akhirnya memungkinkan sumber energi baru yang bersih, aman, terjamin dan berkelanjutan. Sekarang, pemerintah dan terutama perusahaan swasta ingin mengeksploitasi potensi energi fusi yang sangat besar – dengan beberapa perusahaan bahkan menjanjikan bahwa mereka akan mengirimkan listrik ke jaringan dari pembangkit listrik percontohan pada awal dekade berikutnya.

Namun, beberapa ilmuwan berpendapat bahwa rentang waktu seperti itu tidak realistis, mengingat rintangan teknis yang sangat besar yang tetap ada di jalan menuju energi fusi. Yang lain berpendapat bahwa jangka waktu 10–15 tahun dapat dilakukan, selama peneliti dan penyandang dana mengadopsi pola pikir yang benar. Untuk Troy Carter di Universitas California, Los Angeles, ini berarti mengakhiri ketergantungan pada fasilitas besar, mahal, dan terpusat seperti NIF seukuran stadion sepak bola dan beralih ke proyek yang lebih kecil dan lebih murah yang dipimpin oleh sektor swasta yang lebih toleran terhadap risiko. “Kita harus mengubah cara kita melakukan bisnis,” katanya.

Akhirnya tepat sasaran

Memanfaatkan energi yang dilepaskan saat fusi inti cahaya membutuhkan bahan bakar nuklir yang disimpan dalam bentuk plasma pada suhu sekitar 100 juta kelvin. Salah satu cara melakukannya adalah dengan mengurung plasma dalam medan magnet untuk waktu yang cukup lama sambil memanaskannya dengan gelombang radio atau sinar partikel. Sejauh ini, "penjara magnetis" semacam itu telah menjadi rute pilihan fisikawan menuju energi fusi. Ini akan digunakan di reaktor publik dan swasta termahal di dunia: $20+miliar ITER fasilitas yang sedang dibangun di selatan Prancis dan mesin yang dibuat oleh perusahaan Sistem Persemakmuran Commonwealth di luar Boston, AS, yang sejauh ini telah mengumpulkan dana setidaknya $2 miliar.

Alih-alih mencoba untuk mendapatkan kondisi stabil, reaktor "kurung inersia" beroperasi seperti mesin pembakaran internal - menghasilkan energi melalui siklus ledakan berulang yang dengan cepat menciptakan suhu dan tekanan yang sangat besar. NIF melakukan ini dengan memperkuat dan memfokuskan 192 sinar laser ke silinder logam berongga kecil yang di tengahnya terdapat kapsul seukuran biji merica yang mengandung isotop hidrogen deuterium dan tritium. Sinar-X yang dihasilkan dari dinding silinder meledakkan permukaan luar kapsul, memaksa sisanya ke dalam berkat kekekalan momentum dan menyebabkan inti deuterium dan tritium di dalamnya melebur – dalam proses melepaskan partikel alfa (inti helium ), neutron dan banyak energi.

Proses ini sangat menuntut, membutuhkan pemfokusan sinar yang sangat presisi dan kapsul ultra-halus untuk memastikan implosi hampir simetris sempurna yang diperlukan untuk fusi. Memang, ketidakstabilan dalam plasma yang disebabkan oleh ledakan dan cacat pada kapsul, antara lain, berarti bahwa para peneliti Livermore jauh dari target awal pengapian (atau "titik impas") pada tahun 2012. Tetapi melalui serangkaian pengukuran yang telaten pada tembakan laser berturut-turut mereka mampu secara bertahap menyempurnakan pengaturan eksperimental mereka dan akhirnya menembakkan tembakan bersejarah – menghasilkan 3.15 juta joule (MJ) energi fusi setelah mengirimkan 2.05 MJ energi laser ke target.

Omar Hurricane, ilmuwan kepala program fusi pengurungan inersia Livermore, mengatakan bahwa mereka sekarang berencana untuk "memprioritaskan kembali" pekerjaan mereka untuk mendorong hasil yang lebih tinggi dan dapat direproduksi dengan meningkatkan energi laser NIF dalam langkah sekitar 0.2 MJ. Mereka juga berniat untuk mempelajari efek memvariasikan ketebalan bahan bakar nuklir di dalam kapsul dan mengurangi ukuran lubang masuk laser silinder. Namun, dia menunjukkan bahwa NIF tidak pernah dirancang untuk mendemonstrasikan energi fusi praktis – mengingat bahwa tujuan utama fasilitas tersebut adalah menyediakan data eksperimen untuk mendukung cadangan senjata nuklir AS (yang tidak lagi diuji). Dengan demikian, NIF sangat tidak efisien – laser yang dipompa dengan lampu kilat 2 MJ membutuhkan sekitar 400 MJ energi listrik, yang setara dengan efisiensi “steker dinding” hanya 0.5%.

Fasilitas Pengapian Nasional menunjukkan perolehan energi fusi bersih pertama di dunia

Riccardo Betti dari Universitas Rochester mengatakan bahwa laser modern yang dipompa oleh dioda dapat mencapai efisiensi setinggi 20% tetapi menunjukkan bahwa margin yang diperlukan untuk pembangkit listrik (termasuk energi yang hilang selama konversi panas menjadi listrik) berarti bahwa bahkan perangkat ini akan memerlukan perolehan target “setidaknya 50– 100” (dibandingkan dengan NIF 1.5). Mereka juga harus "menembak" beberapa kali per detik, sementara NIF hanya menghasilkan tembakan sekali sehari. Tingkat pengulangan yang tinggi ini akan membutuhkan target yang diproduksi secara massal dengan biaya paling banyak beberapa puluh sen, dibandingkan dengan ratusan ribu dolar yang dibutuhkan untuk target di NIF (yang terbuat dari emas dan berlian sintetis).

Memasuki pasar

Salah satu perusahaan yang percaya dapat mengkomersialkan energi fusi terlepas dari semua rintangan adalah perusahaan yang berbasis di California Sistem Energi Fusi Longview. Didirikan pada tahun 2021 oleh beberapa mantan ilmuwan Livermore, termasuk mantan direktur NIF Edward Moses, Longview bertujuan untuk menggabungkan desain target NIF dengan laser solid-state yang dipompa dioda. Perusahaan mengumumkan keberadaannya pada hari yang sama ketika Livermore melaporkan tembakan pemecah rekor NIF, mengatakan bahwa mereka berencana untuk mulai membangun pembangkit listrik percontohan dalam lima tahun ke depan.

Longview mengatakan bahwa pihaknya bermaksud untuk menyediakan 50 MW listrik ke jaringan paling lambat tahun 2035. Perusahaan mengakui bahwa ini tidak akan mudah, membayangkan efisiensi laser dan tingkat pengulangan masing-masing 18% dan 10–20 Hz. Secara khusus, dikatakan bahwa sementara dioda yang diperlukan sudah ada, mereka "belum dikemas ke dalam beamline terintegrasi untuk laser skala fusi". Tetapi tetap yakin bahwa itu dapat memenuhi tenggat waktu, mencatat bahwa laser berada dalam faktor dua dari ambang batas kerusakan optik yang diperlukan untuk pabrik percontohan.

Tidak semua orang yakin. Stephen Bodner, sebelumnya kepala program fusi laser di US Naval Research Laboratory di Washington DC, berpendapat bahwa teknologi "indirect-drive" NIF membuang terlalu banyak energi dalam menghasilkan sinar-X (daripada menerangi kapsul bahan bakar secara langsung). Dia juga skeptis terhadap klaim Longview bahwa Longview dapat mengurangi biaya target hingga di bawah $0.30 dengan menyebarkan biaya teknik dan modal yang cukup besar di atas 500 juta target yang menurutnya akan dibutuhkan untuk pabrik percontohannya. “Tidak ada cara yang mungkin bagi target fusi seperti yang digunakan pada NIF untuk ditingkatkan cukup untuk energi fusi komersial,” katanya.

Pencapaian laser-fusion National Ignition Facility menyulut perdebatan

Namun Longview tidak sendirian dalam meyakini bahwa ia memiliki teknologi untuk menghadirkan energi fusi ke dunia. Sebuah laporan yang disusun tahun lalu oleh Asosiasi Industri Fusion badan perdagangan mendaftarkan 33 perusahaan di AS dan di tempat lain yang sedang mengerjakan teknologi fusi – banyak di antaranya juga memiliki rentang waktu yang agresif untuk mengembangkan pembangkit listrik. Salah satu perusahaan tersebut adalah Cahaya pertama, berbasis di dekat Oxford, Inggris. Alih-alih menggunakan pulsa laser untuk mengompres kapsul bahan bakar, First Light malah meluncurkan proyektil material – potongan logam berbentuk prangko – dengan kecepatan sangat tinggi menggunakan gaya elektromagnetik yang disediakan oleh bank besar kapasitor yang semuanya habis hampir secara instan. Proyektil menyerang target yang dibuat khusus, yang masing-masing mengarahkan dan meningkatkan tekanan tumbukan pada kapsul bahan bakar yang tertanam di dalamnya.

Perusahaan sejauh ini telah mengumpulkan dana sekitar £80 juta dan mendemonstrasikan fusi menggunakan fasilitas listrik berdenyut terbesar di Eropa. Langkah selanjutnya, menurut co-founder dan chief executive Nicholas Hawker, akan mendemonstrasikan pengapian dengan mesin yang jauh lebih besar dalam waktu sekitar lima tahun dan kemudian pabrik percontohan pada "awal hingga pertengahan 2030-an". Hawker mengakui bahwa banyak tantangan terbentang di depan – seperti mampu memuat proyektil satu demi satu dan mengembangkan sakelar tegangan tinggi yang kuat dan sesuai – tetapi dia yakin bahwa fisika skema ini solid. “Kapsul bahan bakarnya persis sama dengan NIF, jadi hasil baru-baru ini juga secara besar-besaran mengurangi risiko sistem kami.” 

Dibutuhkan uang tunai

Dalam hal fisika, Betti berpendapat bahwa fusi kurungan inersia lebih baik ditempatkan daripada kurungan magnetik. Sementara NIF sekarang telah menunjukkan bahwa yang pertama dapat menghasilkan reaksi mandiri, dia berpendapat bahwa ketidakstabilan yang dihasilkan di dekat ambang penyalaan berarti masih ada ketidakpastian besar tentang apakah tokamak dapat mengikutinya. Namun demikian, dia mengatakan bahwa kedua bentuk fusi harus mengatasi rintangan yang berat jika ingin menghasilkan energi yang kompetitif secara ekonomi – termasuk demonstrasi keuntungan tinggi dari target yang diproduksi secara massal dalam hal fusi laser. “Saya sulit percaya bahwa sistem energi dapat siap dalam 10 tahun,” katanya.

Ilmuwan NIF melakukan pekerjaan luar biasa selama dekade terakhir memecahkan beberapa masalah fisika yang sangat sulit. Mereka harus diakui untuk pekerjaan besar mereka

Stephen Bodner

Carter lebih optimis. Dia berpendapat bahwa pabrik percontohan dapat direalisasikan dalam waktu sekitar satu dekade, selama perusahaan swasta memimpin biaya dalam konstruksi mereka sementara pemerintah mendukung penelitian pendukung yang lebih mendasar seperti pada bahan tahan radiasi. Tetapi dia memperingatkan bahwa dana yang diperlukan akan sangat besar – sekitar $500 juta ekstra per tahun dalam kasus pemerintah AS. Jika uangnya datang, tambahnya, pabrik komersial skala penuh mungkin akan aktif "lebih cepat dari tahun 2050".

Mengenai teknologi mana yang akan berakhir di dalam pabrik, Bodner menegaskan itu tidak akan didasarkan pada dorongan tidak langsung. Kemungkinan besar, menurutnya, itu akan menjadi kurungan inersia berdasarkan jenis sistem laser yang berbeda seperti laser gas argon-fluorida. Tetapi dia mengakui bahwa meningkatkan sistem apa pun membawa ketidakpastian. Dan dia memuji para ilmuwan NIF karena membawa penelitian fusi ke titik ini. "Mereka melakukan pekerjaan luar biasa selama dekade terakhir memecahkan beberapa masalah fisika yang sangat sulit," katanya. “Mereka harus diakui untuk pekerjaan hebat mereka.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/