Kamień milowy dotyczący fuzji laserowej National Ignition Facility rozpala debatę

8 sierpnia ubiegłego roku fizycy z Lawrence Livermore National Laboratory w USA wykorzystali największy na świecie laser do przeprowadzenia rekordowego eksperymentu. Zatrudnienie 192 wiązek o wartości 3.5 miliarda dolarów Krajowy Zakład Zapłonu (NIF), aby implodować kapsułkę wielkości ziarenka pieprzu zawierającą deuter i tryt, spowodowali fuzję dwóch izotopów wodoru, powodując samopodtrzymującą się reakcję termojądrową trwającą ułamek sekundy. Ponieważ w procesie wydziela się ponad 70% energii wykorzystywanej do zasilania lasera, odkrycie sugeruje, że gigantyczne lasery mogą jeszcze stworzyć nowe źródło bezpiecznej, czystej i zasadniczo nieograniczonej energii.

Wynik wprawił badaczy z laboratorium Livermore w uroczysty nastrój, którzy przez ponad dekadę walczyli o znaczący postęp. Jednak początkowe emocje szybko opadły, gdy kilka kolejnych prób odtworzenia tego osiągnięcia nie powiodło się – udało się zebrać co najwyżej połowę rekordowej wydajności. Ponieważ kierownictwo firmy Livermore zdecydowało się przeprowadzić tylko kilka powtarzanych eksperymentów, laboratorium odłożyło swoje poszukiwania progu rentowności i zamiast tego próbowało dowiedzieć się, co jest przyczyną wahań w wynikach.

Dla krytyków NIF ostatnia korekta kursu nie była zaskoczeniem, najwyraźniej po raz kolejny ilustrując nieprzydatność obiektu jako poligonu testowego dla solidnej produkcji energii termojądrowej. Wielu naukowców pozostaje jednak dobrej myśli, a sami badacze NIF stanęli do walki, publikując niedawno wyniki swojego rekordowego strzału w Physical Review Letters (129 075001). Twierdzą, że mimo wszystko osiągnęli „zapłon”, osiągając punkt, w którym ogrzewanie w wyniku reakcji termojądrowych przeważa nad chłodzeniem, tworząc pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego, która szybko podnosi temperaturę plazmy.

Omar Hurricane, główny naukowiec programu syntezy jądrowej w Livermore, utrzymuje, że ta oparta na fizyce definicja zapłonu – a nie prosty opis „przekroczenia rentowności energii” – jest tą, która naprawdę się liczy. Opisując ostateczne osiągnięcie progu rentowności jako „kolejne wydarzenie w obszarze public relations”, twierdzi jednak, że pozostaje to ważnym kamieniem milowym, który on i jego koledzy chcą osiągnąć. Rzeczywiście, fizycy spoza laboratorium Livermore są pewni, że szeroko dyskutowany cel zostanie trafiony. Steven Rose w Imperial College w Wielkiej Brytanii uważa, że ​​„istnieją wszelkie szanse” na osiągnięcie progu rentowności.

Rekordowy zysk

Próba wykorzystania syntezy jądrowej polega na podgrzaniu plazmy lekkich jąder do punktu, w którym jądra te przezwyciężają wzajemne odpychanie i łączą się, tworząc cięższy pierwiastek. W wyniku tego procesu powstają nowe cząstki – w przypadku deuteru i trytu, jądra helu (cząstki alfa) i neutrony – a także ogromne ilości energii. Jeśli plazmę uda się utrzymać wystarczająco długo w odpowiednio wysokich temperaturach i ciśnieniach, cząstki alfa powinny zapewnić wystarczającą ilość ciepła, aby samodzielnie podtrzymać reakcje, podczas gdy neutrony będą mogły zostać przechwycone i wykorzystane do zasilania turbiny parowej.

Tokamaki fuzyjne wykorzystują pola magnetyczne do zamykania plazmy przez dość długie okresy czasu. Zamiast tego NIF, jako urządzenie „utrzymujące bezwładność”, wykorzystuje ekstremalne warunki panujące przez ulotną chwilę w niewielkiej ilości silnie sprężonego paliwa termojądrowego, zanim ponownie się rozszerzy. Paliwo jest umieszczone w kulistej kapsułce o średnicy 2 mm, która znajduje się pośrodku cylindrycznego metalowego „hohlraum” o długości około 1 cm i eksploduje, gdy precyzyjnie skierowane wiązki lasera NIF uderzają we wnętrze hohlraum i generują powódź Promienie rentgenowskie.

W przeciwieństwie do tokamaków, NIF nie został zaprojektowany przede wszystkim do demonstracji energii, ale zamiast tego służył do sprawdzania programów komputerowych używanych do symulacji eksplozji broni nuklearnej – biorąc pod uwagę, że Stany Zjednoczone zaprzestały testów na żywo w 1992 r. Jednak po włączeniu w 2009 r. wkrótce stało się jasne, że programy używane do kierowania własnymi operacjami nie doceniły związanych z tym trudności, szczególnie w przypadku niestabilności plazmy i tworzenia odpowiednio symetrycznych implozji. Ponieważ NIF nie osiągnął swojego pierwotnego celu, jakim było osiągnięcie zapłonu do 2012 r., Narodowa Administracja Bezpieczeństwa Jądrowego USA, która nadzoruje laboratorium, odłożyła ten cel na bok i skoncentrowała się na czasochłonnym zadaniu lepszego zrozumienia dynamiki implozji.

Na początku 2021 r., po serii eksperymentalnych modyfikacji, Hurricane i współpracownicy w końcu wykazali, że można wykorzystać laser do wytworzenia tak zwanej płonącej plazmy, w której ciepło cząstek alfa przewyższa zewnętrzne źródło energii. Następnie wprowadzili szereg dalszych poprawek, w tym zmniejszenie otworów wejściowych lasera Hohlraum i obniżenie mocy szczytowej lasera. Efektem było przesunięcie części energii promieniowania rentgenowskiego na późniejszą część strzału, co zwiększyło moc przenoszoną do paliwa jądrowego – wypychając ją na tyle wysoko, aby przewyższyć straty radiacyjne i przewodzące.

W sierpniu 2021 r. badacze NIF zarejestrowali swoje przełomowe ujęcie „N210808”. W tym przypadku gorący punkt w środku paliwa miał temperaturę około 125 milionów kelwinów i wydajność energetyczną 1.37 MJ – około osiem razy więcej niż poprzedni najlepszy wynik uzyskany na początku roku. Ta nowa wydajność oznaczała „docelowy zysk” wynoszący 0.72 – w porównaniu z mocą wyjściową lasera wynoszącą 1.97 MJ – oraz „wzrost kapsuły” wynoszący 5.8, biorąc pod uwagę energię pochłoniętą przez kapsułę. 

Co ważniejsze, jeśli chodzi o huragan, eksperyment spełnił również tak zwane kryterium zapłonu Lawsona. Opracowany po raz pierwszy przez inżyniera i fizyka Johna Lawsona w 1955 roku, określa warunki, w których samonagrzewanie termojądrowe przekroczy energię traconą w wyniku przewodzenia i promieniowania. Hurricane twierdzi, że wyniki NIF spełniły dziewięć różnych sformułowań kryterium inercyjnej syntezy termojądrowej, wykazując w ten sposób zapłon „bez dwuznaczności”.

Trzy strzały i wypadasz

Po rekordowym strzale Hurricane i niektórzy z jego kolegów-naukowców z NIF chcieli powtórzyć swój sukces. Jednak kierownictwo laboratorium nie było tak entuzjastyczne. Według Marka Herrmanna, ówczesnego zastępcy dyrektora Livermore'a ds. podstawowej fizyki broni, w następstwie N210808 utworzono kilka grup roboczych w celu oceny kolejnych kroków. Mówi, że zespół zarządzający składający się z około 10 ekspertów w dziedzinie odosobnienia inercyjnego zebrał wnioski i sporządził plan, który przedstawił we wrześniu.

Herrmann twierdzi, że plan składał się z trzech części – próby odtworzenia N210808; analiza warunków eksperymentalnych, które umożliwiły oddanie rekordowego strzału; i próbując uzyskać „dużą wydajność w megadżulach”. Dyskusja na temat pierwszego punktu dotyczyła czegoś, co Herrmann opisuje jako „dużą różnorodność opinii” wśród około 100 naukowców pracujących nad programem syntezy jądrowej. Ostatecznie, biorąc pod uwagę „ograniczone zasoby” i ograniczoną liczbę celów w partii zawierającej N210808, twierdzi, że zespół zarządzający zdecydował się na zaledwie trzy dodatkowe strzały.

Huragan ma nieco inne wspomnienia, mówiąc, że były cztery powtórzenia. Eksperymenty te, jak twierdzi, prowadzono przez okres mniej więcej trzech miesięcy, a plony wahały się od niecałej jednej piątej do około połowy wydajności osiągniętej w sierpniu. Utrzymuje jednak, że te strzały były nadal „bardzo dobrymi eksperymentami”, dodając, że spełniały również niektóre sformułowania kryterium Lawsona. Różnica w wydajności, jego zdaniem, „nie jest tak binarna, jak ludzie to przedstawiają”.

Proces powlekania plazmowego jest przepisem, więc podobnie jak pieczenie chleba, nie za każdym razem wychodzi dokładnie tak samo

Huragan Omara

Jeśli chodzi o przyczyny tak ogromnych różnic w wydajności, Herrmann twierdzi, że wiodącą hipotezą są puste przestrzenie i zagłębienia w kapsułach paliwowych, które są wykonane z diamentu przemysłowego. Wyjaśnia, że ​​te niedoskonałości mogą zostać wzmocnione podczas procesu implozji, powodując przedostanie się diamentu do gorącego punktu. Biorąc pod uwagę, że węgiel ma wyższą liczbę atomową niż deuter czy tryt, może on promieniować znacznie wydajniej, co chłodzi gorący punkt i obniża wydajność. 

Hurricane zgadza się, że diament prawdopodobnie odgrywa ważną rolę w różnicowaniu wydajności od strzału do strzału. Wskazując, że należy spodziewać się dużych różnic w wydajności, biorąc pod uwagę nieliniowość implozji NIF, twierdzi, że zaangażowani naukowcy nie w pełni rozumieją proces powlekania plazmowego stosowany podczas wytwarzania kapsułek. „To przepis” – mówi – „więc podobnie jak pieczenie chleba, nie za każdym razem wychodzi dokładnie tak samo”.

Droga do energii termojądrowej

Hurricane twierdzi, że zespół bada obecnie kilka sposobów zwiększenia wydajności NIF, a także poprawy jakości kapsułek. Należą do nich zmiana grubości kapsuły, zmiana rozmiaru lub geometrii hohlraum lub ewentualnie zwiększenie energii impulsu lasera do około 2.1 MJ, aby obniżyć precyzję wymaganą dla celu. Mówi, że nie ma „magicznej liczby”, jeśli chodzi o docelowy zysk, ale dodaje, że im wyższe wzmocnienie, tym większa przestrzeń parametrów, którą można zbadać podczas zarządzania zapasami. Zwraca również uwagę, że wzmocnienie wynoszące 1 nie oznacza, że ​​obiekt generuje energię netto, biorąc pod uwagę, jak mało przychodzącej energii elektrycznej laser przekształca w światło padające na cel – w przypadku NIF mniej niż 1%.

Długa droga do zapłonu

Michaela Campbella z University of Rochester w USA uważa, że ​​NIF mógłby osiągnąć zysk o co najmniej 1 „w ciągu najbliższych 2–5 lat”, pod warunkiem odpowiedniej poprawy hohlraum i celu. Twierdzi jednak, że osiągnięcie komercyjnie istotnych zysków na poziomie 50–100 prawdopodobnie wymagałoby przejścia z „napędu pośredniego” NIF, który generuje promienie rentgenowskie w celu ucisku celu, na potencjalnie wydajniejszy, ale trudniejszy „napęd bezpośredni”, który opiera się na samego promieniowania laserowego.

Pomimo prawdopodobnie potrzebnych kilku miliardów dolarów Campbell jest optymistą, że odpowiedni obiekt z napędem bezpośrednim może wykazać takie korzyści do końca lat trzydziestych XXI wieku – szczególnie, jego zdaniem, jeśli zaangażowany będzie sektor prywatny. Ostrzega jednak, że komercyjne elektrownie zaczną działać prawdopodobnie dopiero co najmniej w połowie stulecia. „Energia termojądrowa jest rozwiązaniem długoterminowym” – mówi. „Myślę, że ludzie muszą realistycznie podejść do wyzwań”.