Etapa de hotar de fuziune cu laser a National Ignition Facility aprinde dezbateri

Pe 8 august a anului trecut, fizicienii de la Laboratorul Național Lawrence Livermore din SUA au folosit cel mai mare laser din lume pentru a realiza un experiment de record. Folosind cele 192 de grinzi ale celor 3.5 miliarde de dolari Instalația Națională de Aprindere (NIF) pentru a imploda o capsulă de dimensiunea unui boabe de piper care conține deuteriu și tritiu, au făcut ca cei doi izotopi de hidrogen să fuzioneze, generând o reacție de fuziune auto-susținută pentru o fracțiune de secundă. Având în vedere că procesul eliberează peste 70% din energia utilizată pentru alimentarea laserului, descoperirea a sugerat că laserele gigantice ar putea permite încă o nouă sursă de energie sigură, curată și, în esență, nelimitată.

Rezultatul i-a pus pe cercetătorii de la laboratorul Livermore într-o dispoziție de sărbătoare, luptându-se timp de mai bine de un deceniu să facă progrese semnificative. Dar entuziasmul inițial s-a stins curând când mai multe încercări ulterioare de a reproduce realizările nu au eșuat – adunând în cel mai bun caz doar jumătate din producția record. Întrucât conducerea Livermore a decis să încerce doar o mână de experimente repetate, laboratorul și-a oprit căutarea de rentabilitate și, în schimb, a încercat să descopere care este cauza variației producției.

Pentru criticii NIF, cea mai recentă corecție a cursului nu a fost o surpriză, ilustrând aparent încă o dată neadecvarea unității ca banc de testare pentru producția robustă de energie de fuziune. Însă mulți oameni de știință rămân optimi, iar cercetătorii NIF înșiși au ieșit la luptă, publicând recent rezultatul de la lovitura lor record în Scrisori de recenzie fizică (129 075001). Ei insistă că, la urma urmei, au atins „aprinderea”, ajungând la punctul în care încălzirea din reacțiile de fuziune depășește răcirea, creând o buclă de feedback pozitiv care crește rapid temperatura plasmei.

Omar Hurricane, om de știință șef al programului de fuziune al Livermore, susține că această definiție bazată pe fizică a aprinderii – mai degrabă decât simpla descriere a „punerii de rentabilitate a energiei” – este cea care contează cu adevărat. Descriind eventuala atingere a pragului de rentabilitate drept „următorul eveniment de relații publice”, el spune totuși că rămâne o etapă importantă pe care el și colegii săi doresc să o atingă. Într-adevăr, fizicienii de dincolo de laboratorul Livermore sunt încrezători că ținta mult discutată va fi lovită. Steven Rose de la Imperial College din Marea Britanie consideră că „există orice perspectivă” va fi atins.

Câștig record

Încercarea de a valorifica fuziunea implică încălzirea unei plasme de nuclee ușoare până la punctul în care acele nuclee își înving repulsia reciprocă și se combină pentru a forma un element mai greu. Procesul produce noi particule – în cazul deuteriu și tritiu, nuclee de heliu (particule alfa) și neutroni – precum și cantități uriașe de energie. Dacă plasma poate fi menținută la temperaturi și presiuni imense suficient de mult timp, particulele alfa ar trebui să furnizeze suficientă căldură pentru a susține reacțiile pe cont propriu, în timp ce neutronii pot fi interceptați pentru a alimenta o turbină cu abur.

Tokamak-urile de fuziune folosesc câmpuri magnetice pentru a limita plasmele pe perioade destul de lungi. NIF, ca dispozitiv de „confinare inerțială”, exploatează în schimb condițiile extreme create pentru un moment trecător în interiorul unei cantități mici de combustibil de fuziune puternic comprimat înainte de a se re-expand. Combustibilul este plasat într-o capsulă sferică cu diametrul de 2 mm, care este situată în centrul unui „hohlraum” metalic cilindric de aproximativ 1 cm lungime și explodează atunci când fasciculele laser direcționate precis ale NIF lovesc interiorul hohlraum și generează o inundație de raze X.

Spre deosebire de tokamak-uri, NIF nu a fost conceput în primul rând pentru a demonstra energia, ci în schimb servește ca o verificare a programelor de calculator utilizate pentru a simula exploziile de arme nucleare – având în vedere că SUA au încetat testele în direct în 1992. Cu toate acestea, după pornirea în 2009, a fost în curând a devenit evident că programele folosite pentru a-și ghida propriile operațiuni au subestimat dificultățile implicate, în special atunci când se confruntă cu instabilitatea plasmei și creează implozii simetrice adecvate. Având în vedere că NIF își pierde obiectivul inițial de a obține aprinderea până în 2012, Administrația Națională de Securitate Nucleară din SUA, care supraveghează laboratorul, a lăsat acest obiectiv deoparte pentru a se concentra asupra sarcinii consumatoare de timp de a înțelege mai bine dinamica imploziei.

La începutul anului 2021, în urma unei serii de modificări experimentale, Hurricane și colegii au arătat în sfârșit că ar putea folosi laserul pentru a crea ceea ce este cunoscut sub numele de plasmă care arde - în care căldura de la particulele alfa depășește sursa de energie externă. Apoi au făcut o serie de modificări suplimentare, inclusiv micșorarea orificiilor de intrare a laserului hohlraum și scăderea puterii de vârf a laserului. Efectul a fost de a muta o parte din energia de raze X la mai târziu în fotografie, ceea ce a crescut puterea transferată combustibilului nuclear - împingându-l suficient de sus pentru a depăși pierderile radiative și conductive.

În august 2021, cercetătorii NIF au înregistrat împușcătura lor emblematică „N210808”. Punctul fierbinte din centrul combustibilului a avut în acest caz o temperatură de aproximativ 125 de milioane de kelvin și un randament energetic de 1.37 MJ – de aproximativ opt ori mai mare decât cel mai bun rezultat anterior, obținut la începutul anului. Acest nou randament a implicat un „câștig țintă” de 0.72 – în comparație cu ieșirea de 1.97 MJ a laserului – și un „câștig al capsulei” de 5.8 atunci când se ia în considerare energia absorbită de capsulă. 

Mai important, în ceea ce privește Hurricane, experimentul a îndeplinit și ceea ce este cunoscut sub numele de criteriul Lawson pentru aprindere. Proiectat pentru prima dată de inginerul și fizicianul John Lawson în 1955, acesta stipulează condițiile în care autoîncălzirea prin fuziune va depăși energia pierdută prin conducție și radiație. Hurricane spune că rezultatele NIF au satisfăcut nouă formulări diferite ale criteriului de fuziune inerțială, demonstrând astfel aprinderea „fără ambiguitate”.

Trei lovituri și ești afară

După lovitura de record, Hurricane și unii dintre colegii săi de știință de la NIF au fost dornici să-și reproducă succesul. Dar conducerea laboratorului nu a fost atât de entuziasmată. Conform Mark Herrmann, apoi director adjunct al lui Livermore pentru fizica armelor fundamentale, au fost înființate mai multe grupuri de lucru în urma N210808 pentru a evalua următorii pași. El spune că o echipă de management formată din aproximativ 10 experți în izolare inerțială a reunit aceste constatări și a întocmit un plan, pe care l-a prezentat în septembrie.

Herrmann spune că planul conținea trei părți – încercarea de a reproduce N210808; analiza condițiilor experimentale care au permis lovitura de record; și încercarea de a obține „randamente robuste în megajoule”. Discuția asupra primului punct a implicat ceea ce Herrmann descrie drept „o mare varietate de opinii” în rândul celor aproximativ 100 de oameni de știință care lucrează la programul de fuziune. În cele din urmă, având în vedere „resurse limitate” și un număr limitat de ținte în lotul care conține N210808, el spune că echipa de management s-a hotărât pe doar trei lovituri suplimentare.

Uraganul are o amintire ușor diferită, spunând că au fost patru repetări. Aceste experimente, spune el, au fost efectuate pe o perioadă de aproximativ trei luni și au obținut randamente care au variat de la mai puțin de o cincime până la aproximativ jumătate din cea atinsă în august. Dar el susține că aceste fotografii au fost încă „experimente foarte bune”, adăugând că au satisfăcut și unele formulări ale criteriului Lawson. Diferența de performanță, spune el, „nu este atât de binară pe cât au descris-o oamenii”.

Procesul de acoperire cu plasmă este o rețetă, așa că la fel ca la coacerea pâinii, nu iese exact la fel de fiecare dată

Uraganul Omar

În ceea ce privește cauza acestei variații uriașe a producției, Herrmann spune că ipoteza principală este golurile și divoturile din capsulele de combustibil, care sunt fabricate din diamant industrial. El explică că aceste imperfecțiuni pot fi amplificate în timpul procesului de implozie, determinând pătrunderea diamantului în punctul fierbinte. Având în vedere că carbonul are un număr atomic mai mare decât deuteriul sau tritiul, acesta poate radia mult mai eficient, ceea ce răcește punctul fierbinte și scade performanța. 

Hurricane este de acord că diamantul joacă probabil un rol important în variarea performanței de la o lovitură la alta. Subliniind că sunt de așteptat variații mari de producție, având în vedere neliniaritatea imploziilor NIF, el spune că oamenii de știință implicați nu înțeleg pe deplin procesul de acoperire cu plasmă utilizat în timpul fabricării capsulelor. „Este o rețetă”, spune el, „deci la fel ca la coacerea pâinii, nu iese exact la fel de fiecare dată.”

Drumul către energia de fuziune

Hurricane spune că echipa investighează acum mai multe modalități de a crește producția NIF, pe lângă îmbunătățirea calității capsulei. Acestea includ modificarea grosimii capsulei, modificarea dimensiunii sau geometriei hohlraum-ului sau, eventual, creșterea energiei impulsului laser la aproximativ 2.1 MJ pentru a reduce precizia necesară țintei. El spune că nu există „nu există un număr magic” când vine vorba de câștigul țintă, dar adaugă că cu cât câștigul este mai mare, cu atât spațiul parametrilor care poate fi explorat atunci când se face gestionarea stocurilor este mai mare. El subliniază, de asemenea, că un câștig de 1 nu înseamnă că instalația generează energie netă, având în vedere cât de puțină din energia electrică primită o transformă laserul în lumină pe țintă – în cazul NIF, mai puțin de 1%.

Drumul lung spre aprindere

Michael Campbell de la Universitatea din Rochester în SUA consideră că NIF ar putea obține un câștig de cel puțin 1 „în următorii 2-5 ani”, având în vedere îmbunătățirile adecvate ale hohlraum și țintă. Dar el susține că pentru a ajunge la câștiguri relevante din punct de vedere comercial de 50-100 ar necesita probabil o trecere de la „unitatea indirectă” a NIF, care generează raze X pentru a comprima ținta, la „unitatea directă” potențial mai eficientă, dar mai dificilă, care se bazează pe radiația laser în sine.

În ciuda celor câteva miliarde de dolari care ar putea fi necesare, Campbell este optimist că o instalație adecvată cu transmisie directă poate demonstra astfel de câștiguri până la sfârșitul anilor 2030 – în special, spune el, dacă este implicat sectorul privat. Dar el avertizează că centralele comerciale nu vor începe să funcționeze cel puțin până la jumătatea secolului. „Energia de fuziune este pe termen lung”, spune el, „cred că oamenii trebuie să fie realiști în ceea ce privește provocările.”