Fysikere som jobber ved et laserfusjonsanlegg i USA har annonsert en verdensnyhet – generering av mer energi fra en kontrollert kjernefysisk fusjonsreaksjon enn det som var nødvendig for å drive reaksjonen. De oppnådde dette ved å bruke 3.5 milliarder dollar Nasjonalt tenningsanlegg (NIF) – et system av lasere på størrelse med fotballstadion basert på kl Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i California. Laserskuddet, utført 5. desember, frigjorde 3.15 millioner Joule (MJ) energi fra en liten pellet som inneholdt to hydrogenisotoper – sammenlignet med 2.05 MJ som disse laserne leverte til målet.
Talte i går på en pressekonferanse i Washington DC organisert av Department of Energy for å kunngjøre prestasjonen, bemerket Mark Herrmann, leder for våpenfysikk og design ved LLNL, at gjennombruddet har en dobbel betydning. Selv om det mer umiddelbart burde forbedre USAs evne til å overvåke sitt lager av atomvåpen uten testing – NIFs primære mål – kan det på lengre sikt føre til en ny ren, bærekraftig form for energi. Resultatet, sa han, hadde forlatt kollegene hans "virkelig pumpet".
For Michael Campbell ved University of Rochester i USA utgjør overgåelsen av "energi breakeven" - et mål for forskere i flere tiår - et "Wright brothers-øyeblikk" for fusjonsforskning. Steven Rose fra Imperial College London hevder at resultatet "viser definitivt at treghetsfusjon fungerer på megajoule-skalaen".
"Noe stort"
NIF utløser fusjonsreaksjoner ved å rette nesten 200 kraftige laserstråler mot innsiden av en 1 cm lang hul metallsylinder. De intense røntgenstrålene som genereres i prosessen konvergerer på en 2 mm-diameter sfærisk kapsel plassert i midten av sylinderen som inneholder deuterium og tritium. Når den ytre delen av kapselen sprenges av, tvinges deuterium og tritium innover og opplever i et kort øyeblikk enorme trykk og temperaturer – høye nok til at kjernene overvinner sin gjensidige frastøtning og smelter sammen, og gir varme, heliumkjerner og nøytroner.
Etter å ha slått på NIF i 2009, så forskerne opprinnelig for seg å oppnå breakeven (eller «tenning», som milepælen ofte refereres til) tre år senere. Men problemer forårsaket av ustabilitet i plasma generert under fusjon og asymmetrier i kapselimplosjonene begrenset anleggets fusjonseffekt.
Det har vært et 10-årig strev med problemløsning i trinn for å komme til dette punktet
Omar orkan
Det tok til tidlig i 2021 for forskere å forstå implosjonene tilstrekkelig til at de kunne skape et "brennende plasma" og generere mer varme fra heliumkjernene enn det som ble levert av laseren. Senere samme år oppnådde de endelig en selvopprettholdende fusjonsreaksjon der den genererte varmen overflankerte tap på grunn av avkjøling – og oppnådde et energiutbytte på 1.37 MJ.
LLNL-fysiker Annie Kritcher sier at det siste resultatet ble oppnådd ved å øke laserenergien litt – ca. 8 % opp sammenlignet med 1.92 MJ som ble brukt i fjor – samtidig som kapslene ble litt tykkere og dermed litt mer motstandsdyktige mot defekter. I tillegg forbedret de implosjonssymmetri ved å overføre energi mellom laserstråler under fusjonsprosessen.
Kritchers kollega Alex Zylstra bemerket at det rekordstore skuddet ble tatt like etter klokken 1 lokal tid 5. desember. Skuddet genererte store mengder nøytroner, noe som tyder på at «noe stort hadde skjedd», som laboratoriedirektør Kim Budil sa det. Likevel, legger Budil til, ble det utført mange andre målinger for å bekrefte den enestående trekkingen, med et team av uavhengige eksperter som ble hentet inn for å peer-reviewe resultatene før de ble kunngjort i går.
Tiår lang 'slog'
I følge Omar Hurricane, sjefforsker for Livermores fusjonsprogram, var det ingen tvil om at break-even ville bli oppnådd gitt observasjonen av et brennende plasma for et par år siden. Det eneste spørsmålet for ham var nøyaktig når landemerket skulle inntreffe. "Det har vært et 10-årig strev med problemløsning i trinn for å komme til dette punktet," sa han Fysikkens verden. "Ti år føles lenge, men i virkeligheten tror jeg det er relativt kort tid for en så hard vitenskapelig utfordring."
National Ignition Facility sin laserfusjonsmilepæl tenner debatt
Når det gjelder hvor det siste resultatet etterlater treghetsfusjon sammenlignet med et rivaliserende opplegg som er avhengig av at magneter inneholder plasma i relativt lange perioder (som vil bli utnyttet ved ITER i Frankrike), sier Livermores Tammy Ma at begge tilnærmingene har sine "fordeler og ulemper". Mens magnetisk innesperring ennå ikke har oppnådd breakeven, sier hun at det er mer avansert når det gjelder teknologiutvikling. Faktisk påpeker hun at NIF ikke ble designet for å demonstrere praktisk fusjonsenergi – som bruker omtrent 300 MJ strøm for hvert 2 MJ laserskudd.
Både Ma og Campbell mener det er mange muligheter for forbedring. Mens NIFs teknologi fra 1990-tallet bare er 0.5 % effektiv, sier Campbell at moderne lasere kan nå så høyt som 20 %. Kombinert med ytterligere forbedringer av energigevinsten på målet, hevder han at treghetsfusjon kan bli en kommersiell realitet. Men han regner med at dette punktet fortsatt sannsynligvis er flere tiår unna, med "mange utfordringer" som først må overvinnes.
