De laserfusie-mijlpaal van de National Ignition Facility zorgt voor discussie

Op 8 augustus vorig jaar gebruikten natuurkundigen van het Lawrence Livermore National Laboratory in de VS de grootste laser ter wereld om een ​​recordexperiment uit te voeren. Gebruikmakend van de 192 balken van de $3.5 miljard Nationale ontstekingsfaciliteit (NIF) om een ​​capsule ter grootte van een peperkorrel te laten imploderen die deuterium en tritium bevatte, zorgden ze ervoor dat de twee waterstofisotopen samensmolten, waardoor een zichzelf in stand houdende fusiereactie gedurende een fractie van een seconde ontstond. Omdat het proces meer dan 70% van de energie vrijgeeft die wordt gebruikt om de laser aan te drijven, suggereerde de bevinding dat gigantische lasers toch een nieuwe bron van veilige, schone en in wezen onbeperkte energie zouden kunnen mogelijk maken.

Het resultaat bracht onderzoekers van het Livermore-lab in een feeststemming, nadat ze al meer dan tien jaar worstelden om significante vooruitgang te boeken. Maar de aanvankelijke opwinding verdween al snel toen verschillende daaropvolgende pogingen om de prestatie te reproduceren tekortschoten – waarbij op zijn best slechts de helft van de recordbrekende productie werd verzameld. Omdat het management van Livermore had besloten slechts een handvol herhaalde experimenten uit te proberen, zette het laboratorium zijn zoektocht naar break-even uit en probeerde in plaats daarvan uit te vinden wat de variatie in de output veroorzaakte.

Voor critici van NIF kwam de laatste koerscorrectie niet als een verrassing, wat blijkbaar eens te meer de ongeschiktheid van de faciliteit illustreert als proeftuin voor robuuste productie van fusie-energie. Maar veel wetenschappers blijven optimistisch en de NIF-onderzoekers zelf zijn strijdend naar buiten gekomen en hebben onlangs het resultaat van hun recordbrekende poging gepubliceerd in Physical Review Letters (129 075001). Ze houden vol dat ze uiteindelijk ‘ontsteking’ hebben bereikt, waarbij ze het punt hebben bereikt waarop de verwarming door de fusiereacties zwaarder weegt dan de koeling, waardoor een positieve feedbacklus ontstaat die de plasmatemperatuur snel verhoogt.

Omar Hurricane, hoofdwetenschapper van het fusieprogramma van Livermore, beweert dat deze op natuurkunde gebaseerde definitie van ontsteking – in plaats van de eenvoudige “energie-break-even”-beschrijving – degene is die echt telt. Hij beschrijft het uiteindelijke bereiken van break-even als “het volgende PR-evenement”, maar zegt niettemin dat het een belangrijke mijlpaal blijft die hij en zijn collega’s willen bereiken. Natuurkundigen van buiten het Livermore-lab hebben er vertrouwen in dat het veelbesproken doelwit zal worden geraakt. Steven Rose aan het Imperial College in Groot-Brittannië gelooft dat “er alle vooruitzichten zijn” om break-even te bereiken.

Recordwinst

Pogingen om fusie te benutten omvatten het opwarmen van een plasma van lichte kernen tot het punt waarop deze kernen hun onderlinge afstoting overwinnen en samen een zwaarder element vormen. Het proces levert nieuwe deeltjes op – in het geval van deuterium en tritium, heliumkernen (alfadeeltjes) en neutronen – en enorme hoeveelheden energie. Als het plasma lang genoeg op voldoende hoge temperaturen en drukken kan worden gehouden, zouden de alfadeeltjes voldoende warmte moeten leveren om de reacties op zichzelf te ondersteunen, terwijl de neutronen mogelijk kunnen worden onderschept om een ​​stoomturbine aan te drijven.

Fusie-tokamaks gebruiken magnetische velden om plasma's gedurende vrij lange perioden op te sluiten. NIF maakt in plaats daarvan gebruik van de extreme omstandigheden die gedurende een kort moment in een kleine hoeveelheid sterk gecomprimeerde fusiebrandstof worden gecreëerd, voordat deze weer uitzet. De brandstof wordt in een bolvormige capsule met een diameter van 2 mm geplaatst, die zich in het midden van een ongeveer 1 cm lange cilindrische metalen "hohlraum" bevindt en implodeert wanneer NIF's nauwkeurig gerichte laserstralen de binnenkant van de hohlraum treffen en een vloed van brandstof genereren. Röntgenstralen.

In tegenstelling tot tokamaks was NIF niet in de eerste plaats ontworpen om energie te demonstreren, maar diende het in plaats daarvan als controle op de computerprogramma's die worden gebruikt om explosies van kernwapens te simuleren – aangezien de VS in 1992 stopten met live testen. Na het inschakelen in 2009 werd het echter al snel Het werd duidelijk dat de programma's die werden gebruikt om de eigen operaties te begeleiden, de moeilijkheden die daarmee gepaard gingen hadden onderschat, vooral bij het omgaan met plasma-instabiliteiten en het creëren van voldoende symmetrische implosies. Nu NIF zijn oorspronkelijke doel, namelijk het bereiken van een ontsteking in 2012, niet heeft gehaald, heeft de Amerikaanse National Nuclear Security Administration, die toezicht houdt op het laboratorium, dat doel opzij gezet om zich te concentreren op de tijdrovende taak om de implosiedynamiek beter te begrijpen.

Begin 2021 lieten Hurricane en collega's, na een reeks experimentele aanpassingen, eindelijk zien dat ze de laser konden gebruiken om een ​​zogenaamd brandend plasma te creëren – waarin de warmte van alfadeeltjes de externe energietoevoer overtreft. Vervolgens voerden ze nog een aantal aanpassingen door, waaronder het verkleinen van de laseringangsgaten van de Hohlraum en het verlagen van het piekvermogen van de laser. Het effect was dat een deel van de röntgenenergie naar later in de opname werd verschoven, waardoor het vermogen dat naar de nucleaire brandstof werd overgebracht, hoog genoeg werd geduwd om de stralings- en geleidingsverliezen te overtreffen.

In augustus 2021 namen NIF-onderzoekers hun historische opname “N210808” op. De hotspot in het centrum van de brandstof had in dit geval een temperatuur van ongeveer 125 miljoen Kelvin en een energieopbrengst van 1.37 MJ – zo'n acht keer hoger dan hun vorige beste resultaat, eerder dit jaar behaald. Deze nieuwe opbrengst impliceerde een “doelwinst” van 0.72 – vergeleken met de laseropbrengst van 1.97 MJ – en een “capsulewinst” van 5.8 als we in plaats daarvan rekening houden met de energie die door de capsule wordt geabsorbeerd. 

Wat nog belangrijker is: wat de orkaan betreft, voldeed het experiment ook aan wat bekend staat als het Lawson-criterium voor ontsteking. Dit werd voor het eerst opgesteld door ingenieur en natuurkundige John Lawson in 1955 en bepaalt de omstandigheden waarin de zelfopwarming van kernfusie groter zal zijn dan de energie die verloren gaat via geleiding en straling. Hurricane zegt dat de NIF-resultaten voldeden aan negen verschillende formuleringen van het criterium voor traagheidsopsluitingsfusie, waardoor ontsteking “zonder dubbelzinnigheid” werd aangetoond.

Drie schoten en je ligt eruit

Na het recordbrekende schot wilden Hurricane en enkele van zijn collega-wetenschappers bij NIF hun succes graag herhalen. Maar de directie van het lab was niet zo enthousiast. Volgens Mark Hermann, destijds adjunct-directeur van Livermore voor fundamentele wapenfysica, werden in de nasleep van N210808 verschillende werkgroepen opgericht om de volgende stappen te beoordelen. Hij zegt dat een managementteam, bestaande uit ongeveer tien experts op het gebied van traagheidsopsluiting, deze bevindingen bij elkaar heeft gebracht en een plan heeft opgesteld, dat het in september heeft gepresenteerd.

Hermann zegt dat het plan uit drie delen bestond: een poging om N210808 te reproduceren; het analyseren van de experimentele omstandigheden die het recordbrekende schot mogelijk maakten; en proberen “robuuste megajoule-opbrengsten” te verkrijgen. Bij de bespreking van het eerste punt ging het om wat Hermann omschrijft als “een grote verscheidenheid aan meningen” onder de grofweg honderd wetenschappers die aan het fusieprogramma werkten. Uiteindelijk, gezien de “beperkte middelen” en een beperkt aantal doelen in de batch met N100, zegt hij dat het managementteam genoegen heeft genomen met slechts drie extra schoten.

Hurricane heeft een iets andere herinnering en zegt dat er vier herhalingen waren. Die experimenten, zegt hij, werden uitgevoerd over een periode van grofweg drie maanden en leverden opbrengsten op die varieerden van minder dan een vijfde tot ongeveer de helft van die in augustus. Maar hij beweert dat deze opnames nog steeds “zeer goede experimenten” waren, en voegde eraan toe dat ze ook voldeden aan sommige formuleringen van het Lawson-criterium. Het prestatieverschil, zegt hij, is “niet zo binair als mensen hebben voorgesteld”.

Het plasmacoatingproces is een recept, dus net als bij het bakken van brood komt het er niet elke keer precies hetzelfde uit

Omar orkaan

Over de oorzaak van deze enorme variatie in productie zegt Hermann dat de belangrijkste hypothese holtes en gaten in de brandstofcapsules zijn, die zijn gemaakt van industriële diamant. Hij legt uit dat deze onvolkomenheden kunnen worden versterkt tijdens het implosieproces, waardoor de diamant in de hotspot terechtkomt. Aangezien koolstof een hoger atoomnummer heeft dan deuterium of tritium, kan het veel efficiënter uitstralen, waardoor de hotspot afkoelt en de prestaties afnemen. 

Hurricane is het ermee eens dat de diamant waarschijnlijk een belangrijke rol speelt bij het variëren van de prestatie van shot tot shot. Hij wijst erop dat grote variaties in de output te verwachten zijn gezien de niet-lineariteit van de implosies van NIF, en zegt dat de betrokken wetenschappers het plasmacoatingproces dat wordt gebruikt tijdens de fabricage van de capsules niet volledig begrijpen. “Het is een recept”, zegt hij, “dus net als bij het bakken van brood komt het er niet elke keer precies hetzelfde uit.”

De weg naar fusie-energie

Hurricane zegt dat het team nu verschillende manieren onderzoekt om de output van NIF te verhogen, naast het verbeteren van de capsulekwaliteit. Deze omvatten het veranderen van de capsuledikte, het veranderen van de grootte of geometrie van de hohlraum, of mogelijk het verhogen van de laserpulsenergie tot ongeveer 2.1 MJ om de vereiste nauwkeurigheid voor het doel te verlagen. Hij zegt dat er “geen magisch getal” bestaat als het gaat om de beoogde winst, maar voegt eraan toe dat hoe hoger de winst, hoe groter de parameterruimte die kan worden verkend bij voorraadbeheer. Hij wijst er ook op dat een winst van 1 niet betekent dat de faciliteit netto energie genereert, gegeven hoe weinig van de binnenkomende elektrische energie de laser omzet in licht op het doel – in het geval van NIF minder dan 1%.

De lange weg naar ontsteking

Michael Campbell van de Universiteit van Rochester in de VS schat dat NIF een winst van minstens 1 zou kunnen behalen “in de komende 2 tot 5 jaar”, gegeven adequate verbeteringen aan de hohlraum en de doelstelling. Maar hij stelt dat het bereiken van commercieel relevante winsten van 50-100 waarschijnlijk een omschakeling zou vereisen van NIF's “indirecte aandrijving”, die röntgenstralen genereert om het doelwit te comprimeren, naar de potentieel efficiëntere maar lastiger “directe aandrijving” die afhankelijk is van de laserstraling zelf.

Ondanks de miljarden dollars die waarschijnlijk nodig zullen zijn, is Campbell optimistisch dat een geschikte direct-drive-faciliteit tegen het einde van de jaren dertig dergelijke winsten kan aantonen – vooral, zegt hij, als de particuliere sector erbij betrokken is. Maar hij waarschuwt dat commerciële energiecentrales waarschijnlijk pas in het midden van de eeuw in bedrijf zullen komen. “Fusie-energie is voor de lange termijn”, zegt hij, “ik denk dat mensen realistisch moeten zijn over de uitdagingen.”