Pencapaian laser-fusion National Ignition Facility menyulut perdebatan

Pada tanggal 8 Agustus tahun lalu, fisikawan di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore di AS menggunakan laser terbesar di dunia untuk melakukan eksperimen yang memecahkan rekor. Mempekerjakan 192 balok senilai $3.5 miliar Fasilitas Pengapian Nasional (NIF) untuk meledakkan kapsul seukuran biji merica yang mengandung deuterium dan tritium, menyebabkan dua isotop hidrogen berfusi, menghasilkan reaksi fusi mandiri selama sepersekian detik. Dengan proses yang mengeluarkan lebih dari 70% energi yang digunakan untuk menggerakkan laser, temuan ini menunjukkan bahwa laser raksasa mungkin masih bisa menghasilkan sumber energi baru yang aman, bersih, dan pada dasarnya tidak terbatas.

Hasilnya membuat para peneliti di laboratorium Livermore bersemangat, setelah berjuang selama lebih dari satu dekade untuk mencapai kemajuan yang signifikan. Namun kegembiraan awal segera memudar ketika beberapa upaya berikutnya untuk mereproduksi pencapaian tersebut gagal – hanya menghasilkan setengah dari hasil pemecahan rekor. Karena manajemen Livermore memutuskan untuk mencoba hanya beberapa percobaan berulang, laboratorium tersebut menunda upayanya untuk mencapai titik impas dan malah mencoba mencari tahu apa yang menyebabkan variasi dalam output.

Bagi para kritikus NIF, koreksi jalur terbaru ini bukanlah hal yang mengejutkan, tampaknya sekali lagi menggambarkan ketidaksesuaian fasilitas tersebut sebagai tempat uji coba untuk produksi energi fusi yang kuat. Namun banyak ilmuwan tetap optimis dan para peneliti NIF sendiri telah berjuang, baru-baru ini menerbitkan hasil dari penelitian mereka yang memecahkan rekor di Physical Review Letters (129 075001). Mereka bersikeras bahwa mereka telah mencapai “pengapian”, mencapai titik di mana pemanasan dari reaksi fusi melebihi pendinginan, menciptakan umpan balik positif yang dengan cepat meningkatkan suhu plasma.

Omar Hurricane, kepala ilmuwan program fusi Livermore, berpendapat bahwa definisi penyalaan berbasis fisika ini – dan bukan deskripsi “titik impas energi” yang sederhana – adalah definisi yang benar-benar penting. Menggambarkan pencapaian titik impas sebagai “peristiwa hubungan masyarakat berikutnya”, ia mengatakan bahwa hal ini tetap merupakan tonggak penting yang ingin ia dan rekan-rekannya capai. Memang benar, fisikawan dari luar laboratorium Livermore yakin bahwa target yang banyak dibahas akan tercapai. Steven Rose di Imperial College di Inggris percaya bahwa titik impas “ada setiap prospek” akan tercapai.

Rekam keuntungan

Upaya untuk memanfaatkan fusi melibatkan pemanasan plasma inti ringan hingga titik di mana inti-inti tersebut mengatasi gaya tolak menolak dan bergabung membentuk unsur yang lebih berat. Proses ini menghasilkan partikel baru – misalnya deuterium dan tritium, inti helium (partikel alfa) dan neutron – serta sejumlah besar energi. Jika plasma dapat disimpan pada suhu dan tekanan yang cukup besar untuk waktu yang cukup lama, partikel alfa akan menyediakan panas yang cukup untuk mempertahankan reaksinya sendiri sementara neutron berpotensi dicegat untuk menggerakkan turbin uap.

Tokamak fusi menggunakan medan magnet untuk membatasi plasma dalam jangka waktu yang cukup lama. NIF, sebagai perangkat “pengurungan inersia”, malah mengeksploitasi kondisi ekstrem yang tercipta sesaat di dalam sejumlah kecil bahan bakar fusi bertekanan tinggi sebelum mengembang kembali. Bahan bakar ditempatkan di dalam kapsul bola berdiameter 2 mm, yang terletak di tengah-tengah logam silinder “hohlraum” yang panjangnya kira-kira 1 cm dan meledak ketika sinar laser NIF yang diarahkan dengan tepat menghantam bagian dalam hohlraum dan menghasilkan banjir. Sinar X.

Berbeda dengan tokamaks, NIF tidak dirancang terutama untuk mendemonstrasikan energi namun berfungsi sebagai pemeriksaan pada program komputer yang digunakan untuk mensimulasikan ledakan senjata nuklir – mengingat AS menghentikan pengujian langsung pada tahun 1992. Namun, setelah diaktifkan pada tahun 2009, NIF segera diaktifkan. menjadi jelas bahwa program-program yang digunakan untuk memandu operasinya telah meremehkan kesulitan-kesulitan yang ada, khususnya ketika menangani ketidakstabilan plasma dan menciptakan ledakan simetris yang sesuai. Karena NIF tidak mencapai target awalnya untuk mencapai penyalaan pada tahun 2012, Administrasi Keamanan Nuklir Nasional AS, yang mengawasi laboratorium tersebut, mengesampingkan tujuan tersebut untuk berkonsentrasi pada tugas yang memakan waktu untuk memahami dinamika ledakan dengan lebih baik.

Pada awal tahun 2021, setelah serangkaian modifikasi eksperimental, Hurricane dan rekannya akhirnya menunjukkan bahwa mereka dapat menggunakan laser untuk menciptakan apa yang disebut plasma terbakar – di mana panas dari partikel alfa melebihi pasokan energi eksternal. Mereka kemudian melakukan serangkaian penyesuaian lebih lanjut, termasuk memperkecil lubang masuk laser hohlraum dan menurunkan daya puncak laser. Efeknya adalah mengalihkan sebagian energi sinar-X ke tahap selanjutnya, yang meningkatkan daya yang ditransfer ke bahan bakar nuklir – mendorongnya cukup tinggi untuk melampaui kehilangan radiasi dan konduktif.

Pada bulan Agustus 2021, peneliti NIF merekam bidikan penting mereka “N210808”. Titik panas di pusat bahan bakar dalam hal ini memiliki suhu sekitar 125 juta kelvin dan hasil energi sebesar 1.37 MJ – sekitar delapan kali lebih tinggi dari hasil terbaik sebelumnya yang diperoleh pada awal tahun. Hasil baru ini menyiratkan “perolehan target” sebesar 0.72 – jika dibandingkan dengan keluaran laser sebesar 1.97 MJ – dan “perolehan kapsul” sebesar 5.8 jika mempertimbangkan energi yang diserap oleh kapsul. 

Lebih penting lagi, sejauh menyangkut Badai, eksperimen tersebut juga memenuhi apa yang dikenal sebagai kriteria penyalaan Lawson. Pertama kali dikemukakan oleh insinyur dan fisikawan John Lawson pada tahun 1955, ketentuan ini menetapkan kondisi di mana pemanasan sendiri fusi akan melebihi energi yang hilang melalui konduksi dan radiasi. Hurricane mengatakan bahwa hasil NIF memenuhi sembilan formulasi berbeda dari kriteria fusi kurungan inersia, sehingga menunjukkan penyalaan “tanpa ambiguitas”.

Tiga tembakan dan Anda keluar

Setelah pemecahan rekor tersebut, Hurricane dan beberapa rekan ilmuwannya di NIF sangat ingin mengulangi kesuksesan mereka. Namun manajemen laboratorium tidak begitu antusias. Berdasarkan Mark Hermann, yang saat itu menjabat sebagai wakil direktur fisika senjata dasar Livermore, beberapa kelompok kerja dibentuk setelah N210808 untuk menilai langkah selanjutnya. Dia mengatakan bahwa tim manajemen yang terdiri dari sekitar 10 ahli dalam kurungan inersia mengumpulkan temuan-temuan tersebut dan menyusun sebuah rencana, yang kemudian dipresentasikan pada bulan September.

Herrmann mengatakan bahwa rencana tersebut berisi tiga bagian – upaya untuk mereproduksi N210808; menganalisis kondisi eksperimental yang memungkinkan pengambilan gambar memecahkan rekor; dan mencoba mendapatkan “hasil megajoule yang kuat”. Diskusi poin pertama melibatkan apa yang digambarkan Herrmann sebagai “berbagai macam pendapat” di antara sekitar 100 ilmuwan yang bekerja pada program fusi. Pada akhirnya, mengingat “sumber daya yang terbatas”, dan terbatasnya jumlah target dalam batch yang berisi N210808, ia mengatakan bahwa tim manajemen hanya memilih tiga suntikan tambahan.

Hurricane memiliki ingatan yang sedikit berbeda, mengatakan ada empat pengulangan. Eksperimen tersebut, katanya, dilakukan selama sekitar tiga bulan dan mencapai hasil yang berkisar kurang dari seperlima hingga sekitar setengah dari hasil yang dicapai pada bulan Agustus. Namun ia menegaskan bahwa uji coba ini masih merupakan “eksperimen yang sangat bagus”, dan menambahkan bahwa uji coba tersebut juga memenuhi beberapa formulasi kriteria Lawson. Perbedaan kinerjanya, katanya, “tidak biner seperti yang digambarkan orang-orang”.

Proses pelapisan plasma adalah sebuah resep, jadi seperti halnya memanggang roti, hasilnya tidak selalu sama persis

Badai Omar

Mengenai apa yang menyebabkan variasi produksi yang sangat besar ini, Herrmann mengatakan bahwa hipotesis utama adalah adanya rongga dan lubang pada kapsul bahan bakar, yang terbuat dari berlian industri. Dia menjelaskan bahwa ketidaksempurnaan ini dapat diperkuat selama proses ledakan sehingga menyebabkan berlian masuk ke titik panas. Mengingat karbon memiliki nomor atom lebih tinggi daripada deuterium atau tritium, karbon dapat memancar jauh lebih efisien, sehingga mendinginkan titik panas dan menurunkan kinerja. 

Hurricane setuju bahwa berlian kemungkinan besar memainkan peran penting dalam memvariasikan performa bidikan demi bidikan. Menunjukkan bahwa variasi besar dalam keluaran diperkirakan terjadi mengingat ledakan NIF yang bersifat nonlinier, ia mengatakan bahwa para ilmuwan yang terlibat tidak sepenuhnya memahami proses pelapisan plasma yang digunakan selama pembuatan kapsul. “Ini adalah sebuah resep,” katanya, “jadi seperti halnya memanggang roti, hasilnya tidak selalu sama persis.”

Jalan menuju energi fusi

Hurricane mengatakan tim tersebut sekarang sedang menyelidiki beberapa cara untuk meningkatkan produksi NIF selain meningkatkan kualitas kapsul. Ini termasuk mengubah ketebalan kapsul, mengubah ukuran atau geometri hohlraum, atau mungkin meningkatkan energi pulsa laser menjadi sekitar 2.1 MJ untuk menurunkan presisi yang diperlukan untuk target. Dia mengatakan “tidak ada angka ajaib” dalam hal perolehan target, namun ia menambahkan bahwa semakin tinggi perolehannya, semakin besar ruang parameter yang dapat dieksplorasi saat melakukan penatagunaan persediaan. Ia juga menunjukkan bahwa penguatan sebesar 1 tidak berarti fasilitas tersebut menghasilkan energi bersih, mengingat betapa sedikitnya energi listrik yang masuk yang diubah oleh laser menjadi cahaya pada target – dalam kasus NIF, kurang dari 1%.

Jalan panjang menuju penyalaan

Michael Campbell dari Universitas Rochester di AS berpendapat bahwa NIF dapat mencapai keuntungan setidaknya 1 “dalam 2–5 tahun ke depan”, dengan adanya perbaikan yang memadai terhadap hohlraum dan target. Namun dia berpendapat bahwa untuk mencapai keuntungan yang relevan secara komersial sebesar 50–100 mungkin memerlukan peralihan dari “penggerak tidak langsung” NIF, yang menghasilkan sinar-X untuk mengompresi target, ke “penggerak langsung” yang berpotensi lebih efisien namun lebih rumit yang bergantung pada radiasi laser itu sendiri.

Meskipun mungkin diperlukan dana sebesar beberapa miliar dolar, Campbell optimis bahwa fasilitas penggerak langsung yang sesuai dapat menunjukkan manfaat tersebut pada akhir tahun 2030an – khususnya, katanya, jika sektor swasta dilibatkan. Namun dia memperingatkan bahwa pembangkit listrik komersial mungkin baru akan mulai beroperasi setidaknya pada pertengahan abad ini. “Energi fusi ditujukan untuk jangka panjang,” katanya, “Saya pikir masyarakat harus realistis terhadap tantangan yang ada.”