National Ignition Facility sin laserfusjonsmilepæl tenner debatt

8. august i fjor brukte fysikere ved Lawrence Livermore National Laboratory i USA verdens største laser for å utføre et rekordstort eksperiment. Bruker de 192 bjelkene på 3.5 milliarder dollar Nasjonalt tenningsanlegg (NIF) for å implodere en kapsel på størrelse med pepperkorn som inneholder deuterium og tritium, fikk de de to hydrogenisotopene til å smelte sammen, og genererte en selvopprettholdende fusjonsreaksjon i en brøkdel av et sekund. Med prosessen som ga fra seg over 70 % av energien som ble brukt til å drive laseren, antydet funnet at gigantiske lasere ennå kan muliggjøre en ny kilde til sikker, ren og i hovedsak ubegrenset energi.

Resultatet satte forskere ved Livermore-laboratoriet i en feststemning, etter å ha kjempet i mer enn et tiår for å gjøre betydelige fremskritt. Men den innledende spenningen bleknet snart da flere påfølgende forsøk på å reprodusere prestasjonen mislyktes – og mønstret i beste fall bare halvparten av den rekordstore produksjonen. Da Livermore-ledelsen hadde bestemt seg for å prøve bare en håndfull gjentatte eksperimenter, satte laboratoriet sin søken etter breakeven på vent og prøvde i stedet å finne ut hva som forårsaket variasjonen i produksjonen.

For kritikere av NIF kom den siste kurskorrigeringen ikke som noen overraskelse, og viste nok en gang anleggets uegnethet som testbed for robust fusjonsenergiproduksjon. Men mange forskere er fortsatt optimistiske, og NIF-forskerne har selv kommet ut og kjempet, og publiserte nylig resultatet fra deres rekordstore skudd i Physical Review Letters (129 075001). De insisterer på at de tross alt har oppnådd "tenning", og nådd det punktet der oppvarming fra fusjonsreaksjonene oppveier kjøling, og skaper en positiv tilbakemeldingssløyfe som raskt øker plasmatemperaturen.

Omar Hurricane, sjefforsker i Livermores fusjonsprogram, hevder at denne fysikkbaserte definisjonen av tenning – snarere enn den enkle “energi breakeven”-beskrivelsen – er den som virkelig teller. Han beskriver den eventuelle oppnåelsen av breakeven som «den neste PR-begivenheten», men sier likevel at det fortsatt er en viktig milepæl han og kollegene ønsker å nå. Faktisk er fysikere fra utenfor Livermore-laboratoriet sikre på at det mye diskuterte målet vil bli truffet. Steven Rose ved Imperial College i Storbritannia mener at "det er alle utsikter" vil bli oppnådd.

Rekordgevinst

Forsøk på å utnytte fusjon innebærer å varme opp et plasma av lette kjerner til det punktet hvor disse kjernene overvinner sin gjensidige frastøtning og kombineres for å danne et tyngre element. Prosessen gir nye partikler – i tilfelle av deuterium og tritium, heliumkjerner (alfapartikler) og nøytroner – samt enorme mengder energi. Hvis plasmaet kan holdes ved passende enorme temperaturer og trykk lenge nok, bør alfapartiklene gi nok varme til å opprettholde reaksjonene på egen hånd, mens nøytronene potensielt kan bli fanget opp for å drive en dampturbin.

Fusjonstokamakker bruker magnetiske felt for å begrense plasmaer over ganske lange perioder. NIF, som en "treghetsinneslutning"-enhet, utnytter i stedet de ekstreme forholdene som skapes for et flyktig øyeblikk inne i en liten mengde svært komprimert fusjonsdrivstoff før det utvides igjen. Drivstoffet er plassert inne i en sfærisk kapsel med en diameter på 2 mm, som er plassert i midten av en omtrent 1 cm lang sylindrisk metall «hohlraum» og imploderer når NIFs presist rettede laserstråler treffer innsiden av hohlraumet og genererer en flom av Røntgenstråler.

I motsetning til tokamaks, var ikke NIF designet primært for å demonstrere energi, men i stedet tjene som en sjekk på dataprogrammene som ble brukt til å simulere eksplosjoner av atomvåpen – gitt at USA sluttet med direkte testing i 1992. Etter å ha slått den på i 2009 snart ble tydelig at programmene som ble brukt til å veilede dens egne operasjoner, hadde undervurdert vanskelighetene som var involvert, spesielt når de skulle håndtere plasma-ustabiliteter og skape passende symmetriske implosjoner. Da NIF misser det opprinnelige målet om å oppnå tenning innen 2012, la US National Nuclear Security Administration, som fører tilsyn med laboratoriet, dette målet til side for å konsentrere seg om den tidkrevende oppgaven med å bedre forstå implosjonsdynamikken.

Tidlig i 2021, etter en rekke eksperimentelle modifikasjoner, viste Hurricane og kolleger endelig at de kunne bruke laseren til å lage det som er kjent som et brennende plasma - der varmen fra alfapartikler overstiger den eksterne energiforsyningen. De gjorde deretter en rekke ytterligere justeringer, inkludert krymping av hohlraums laserinngangshull og senking av laserens toppeffekt. Effekten var å flytte noe av røntgenenergien til senere i bildet, noe som økte kraften som ble overført til kjernefysisk brensel – og presset det høyt nok til å overgå strålingstapene og ledende tap.

I august 2021 tok NIF-forskere inn sitt landemerke "N210808"-skudd. Hotspot i sentrum av drivstoffet hadde i dette tilfellet en temperatur på rundt 125 millioner kelvin og et energiutbytte på 1.37 MJ – omtrent åtte ganger høyere enn deres tidligere beste resultat, oppnådd tidligere på året. Denne nye avkastningen innebar en "målforsterkning" på 0.72 - sammenlignet med laserens 1.97 MJ-utgang - og en "kapselforsterkning" på 5.8 når man i stedet vurderer energien som absorberes av kapselen. 

Enda viktigere, når det gjelder Hurricane, tilfredsstilte eksperimentet også det som er kjent som Lawson-kriteriet for tenning. Først lagt ut av ingeniør og fysiker John Lawson i 1955, fastsetter dette forholdene der selvoppvarming av fusjon vil overstige energien som går tapt via ledning og stråling. Hurricane sier at NIF-resultatene tilfredsstilte ni forskjellige formuleringer av kriteriet for treghetsbegrensningsfusjon, og demonstrerte dermed tenning "uten tvetydighet".

Tre skudd og du er ute

Etter det rekordstore skuddet var Hurricane og noen av hans medforskere ved NIF opptatt av å gjenskape suksessen. Men laboratoriets ledelse var ikke så entusiastiske. I følge Mark Herrmann, daværende Livermores nestleder for grunnleggende våpenfysikk, ble det satt ned flere arbeidsgrupper i kjølvannet av N210808 for å vurdere de neste trinnene. Han sier at et lederteam bestående av rundt 10 eksperter innen treghetsbegrensning samlet disse funnene og utarbeidet en plan som den presenterte i september.

Herrmann sier at planen inneholdt tre deler – forsøk på å reprodusere N210808; analysere de eksperimentelle forholdene som muliggjorde det rekordstore skuddet; og prøver å oppnå "robuste megajoule-avkastninger". Diskusjonen om det første punktet involverte det Herrmann beskriver som «et stort utvalg av meninger» blant de rundt 100 forskerne som jobber med fusjonsprogrammet. Til slutt, gitt «begrensede ressurser» og et begrenset antall mål i partiet som inneholder N210808, sier han at ledergruppen nøyde seg med bare tre ekstra skudd.

Hurricane har en litt annen erindring, og sa at det var fire gjentakelser. Disse eksperimentene, sier han, ble utført over en periode på omtrent tre måneder og oppnådde utbytter som varierte fra mindre enn en femtedel til rundt halvparten av det som ble oppnådd i august. Men han hevder at disse bildene fortsatt var "veldig gode eksperimenter", og legger til at de også tilfredsstilte noen formuleringer av Lawson-kriteriet. Forskjellen i ytelse, sier han, er "ikke så binær som folk har fremstilt".

Plasma-beleggingsprosessen er en oppskrift, så akkurat som å bake brød blir det ikke nøyaktig det samme hver gang

Omar orkan

Når det gjelder hva som forårsaket denne enorme variasjonen i produksjon, sier Herrmann at den ledende hypotesen er tomrom og hull i drivstoffkapslene, som er laget av industriell diamant. Han forklarer at disse ufullkommenhetene kan forsterkes under implosjonsprosessen, noe som får diamanten til å gå inn i hot spot. Gitt at karbon har et høyere atomnummer enn deuterium eller tritium, kan det utstråle mye mer effektivt, noe som kjøler ned hot spot og reduserer ytelsen. 

Hurricane er enig i at diamanten sannsynligvis spiller en viktig rolle i å variere skudd-til-skudd ytelsen. Han påpeker at det kan forventes store variasjoner i produksjonen gitt ikke-lineariteten til NIFs implosjoner, og sier at de involverte forskerne ikke fullt ut forstår plasmabeleggingsprosessen som brukes under fremstillingen av kapslene. "Det er en oppskrift," sier han, "så akkurat som å bake brød blir det ikke nøyaktig det samme hver gang."

Veien til fusjonsenergi

Hurricane sier at teamet nå undersøker flere måter å øke NIFs produksjon i tillegg til å forbedre kapselkvaliteten. Disse inkluderer å endre kapseltykkelsen, endre størrelsen eller geometrien til hohlraumet, eller muligens øke laserpulsenergien til rundt 2.1 MJ for å redusere presisjonen som kreves for målet. Han sier at det ikke er "ingen magisk tall" når det kommer til målgevinsten, men legger til at jo høyere gevinsten er, desto større er parameterplassen som kan utforskes når man driver lagerforvaltning. Han påpeker også at en gevinst på 1 ikke betyr at anlegget genererer netto energi, gitt hvor lite av den innkommende elektriske energien laseren konverterer til lys på målet – i tilfellet med NIF, mindre enn 1 %.

Den lange veien til tenning

Michael Campbell fra University of Rochester i USA regner med at NIF kan oppnå en gevinst på minst 1 «i løpet av de neste 2–5 årene», gitt tilstrekkelige forbedringer av hohlraum og mål. Men han argumenterer for at å komme opp til kommersielt relevante gevinster på 50–100 sannsynligvis vil kreve en overgang fra NIFs "indirekte kjøring", som genererer røntgenstråler for å komprimere målet, til den potensielt mer effektive, men vanskeligere "direkte kjøringen" som er avhengig av selve laserstrålingen.

Til tross for flere milliarder dollar som sannsynligvis vil være nødvendig, er Campbell optimistisk på at et passende direktedrevet anlegg kan vise slike gevinster innen slutten av 2030-tallet – spesielt, sier han, hvis privat sektor er involvert. Men han advarer om at kommersielle kraftverk sannsynligvis ikke vil starte i drift før i det minste midten av århundret. "Fusjonsenergi er for langsiktig," sier han, "jeg tror folk må være realistiske om utfordringene."