Mejnik laserske fuzije National Ignition Facility sproži razpravo

8. avgusta lani so fiziki ameriškega nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore z največjim laserjem na svetu izvedli rekordni eksperiment. Z uporabo 192 žarkov od 3.5 milijarde USD Nacionalna naprava za vžig (NIF), da bi implodirali kapsulo v velikosti poprovega zrna, ki vsebuje devterij in tritij, so povzročili zlitje dveh vodikovih izotopov, kar je za delček sekunde povzročilo samozadostno fuzijsko reakcijo. S procesom, ki oddaja več kot 70 % energije, ki se uporablja za napajanje laserja, je ugotovitev pokazala, da bi lahko velikanski laserji še omogočili nov vir varne, čiste in v bistvu neomejene energije.

Rezultat je spravil raziskovalce v laboratoriju v Livermoru v slavnostno razpoloženje, saj so se več kot desetletje trudili doseči pomemben napredek. Toda začetno navdušenje je kmalu splahnelo, ko je nekaj poznejših poskusov ponovitve dosežka spodletelo – zbrali so v najboljšem primeru le polovico rekordne proizvodnje. Glede na to, da se je vodstvo Livermorea odločilo, da bo preizkusilo le nekaj ponovljenih poskusov, je laboratorij svoje iskanje preloma začasno ustavil in namesto tega poskušal ugotoviti, kaj je povzročilo variacije v proizvodnji.

Za kritike NIF zadnji popravek smeri ni bil presenečenje, saj je očitno še enkrat pokazal, da objekt ni primeren za preskusno postajo za robustno proizvodnjo fuzijske energije. Toda številni znanstveniki ostajajo optimistični in raziskovalci NIF so se borili sami in so nedavno objavili rezultat svojega rekordnega posnetka v Pisni pregledi fizike (129 075001). Vztrajajo, da so navsezadnje dosegli "vžig", ki je dosegel točko, ko segrevanje iz fuzijske reakcije prevlada nad hlajenjem, kar ustvarja pozitivno povratno zanko, ki hitro poveča temperaturo plazme.

Omar Hurricane, glavni znanstvenik Livermorovega fuzijskega programa, trdi, da je ta na fiziki temelječa definicija vžiga – in ne preprost opis »energijskega preloma« – tista, ki resnično šteje. Ko morebitni dosežek praga dobička opisuje kot »naslednji dogodek odnosov z javnostmi«, kljub temu pravi, da ostaja pomemben mejnik, ki ga s sodelavci želi doseči. Dejansko so fiziki izven livermorskega laboratorija prepričani, da bo cilj, o katerem se veliko razpravlja, zadet. Steven Rose na Imperial College v Združenem kraljestvu verjame, da "obstajajo vsi obeti", da bo dosežen prelom.

Rekordni dobiček

Poskus izkoriščanja fuzije vključuje segrevanje plazme lahkih jeder do točke, ko ta jedra premagajo medsebojno odbojnost in se združijo v težji element. Proces daje nove delce – v primeru devterija in tritija, helijeva jedra (alfa delce) in nevtrone – ter ogromne količine energije. Če lahko plazmo dovolj dolgo vzdržujemo pri primerno visokih temperaturah in tlakih, bi morali delci alfa zagotoviti dovolj toplote, da bi same vzdrževale reakcije, medtem ko bi lahko nevtrone potencialno prestregli za pogon parne turbine.

Fuzijski tokamaki uporabljajo magnetna polja za omejevanje plazme v dokaj dolgih obdobjih. NIF, kot naprava z "inercialno omejitvijo", namesto tega izkorišča ekstremne pogoje, ustvarjene za bežen trenutek znotraj majhne količine visoko stisnjenega fuzijskega goriva, preden se ponovno razširi. Gorivo je nameščeno v sferični kapsuli s premerom 2 mm, ki se nahaja v središču približno 1 cm dolgega valjastega kovinskega "hohlrauma" in eksplodira, ko NIF-ovi natančno usmerjeni laserski žarki zadenejo notranjost hohlrauma in ustvarijo poplavo rentgenski žarki.

V nasprotju s tokamaki NIF ni bil zasnovan predvsem za prikazovanje energije, temveč je služil kot preverjanje računalniških programov, ki se uporabljajo za simulacijo eksplozij jedrskega orožja – glede na to, da so ZDA leta 1992 prenehale s testiranjem v živo. Vendar pa je po vklopu leta 2009 kmalu postalo očitno, da so programi, uporabljeni za usmerjanje lastnih operacij, podcenjevali vpletene težave, zlasti pri obravnavanju plazemskih nestabilnosti in ustvarjanju ustrezno simetričnih implozij. Ker NIF ni dosegel svojega prvotnega cilja, da bi dosegel vžig do leta 2012, je ameriška nacionalna uprava za jedrsko varnost, ki nadzira laboratorij, ta cilj odložila, da bi se osredotočila na dolgotrajno nalogo boljšega razumevanja dinamike implozije.

V začetku leta 2021 so Hurricane in njegovi sodelavci po vrsti eksperimentalnih modifikacij končno pokazali, da lahko uporabijo laser za ustvarjanje tako imenovane goreče plazme – v kateri toplota delcev alfa presega zunanjo oskrbo z energijo. Nato so izvedli vrsto nadaljnjih popravkov, vključno s skrčenjem laserskih vhodnih lukenj hohlrauma in znižanjem največje moči laserja. Učinek je bil, da se je nekaj energije rentgenskih žarkov premaknilo v poznejši del posnetka, kar je povečalo moč, preneseno na jedrsko gorivo – potisnilo jo je dovolj visoko, da je prehitela sevalne in prevodne izgube.

Avgusta 2021 so raziskovalci NIF posneli svoj znameniti posnetek »N210808«. V tem primeru je vroča točka v središču goriva imela temperaturo okoli 125 milijonov kelvinov in energijski izkoristek 1.37 MJ – približno osemkrat več od njihovega prejšnjega najboljšega rezultata, doseženega v začetku leta. Ta novi izkoristek je pomenil "ciljni dobiček" 0.72 – v primerjavi z izhodom laserja 1.97 MJ – in "pridobitek kapsule" 5.8, če namesto tega upoštevamo energijo, ki jo absorbira kapsula. 

Še pomembneje, kar zadeva Hurricane, je poskus izpolnil tudi tisto, kar je znano kot Lawsonov kriterij za vžig. Prvič, ki ga je predstavil inženir in fizik John Lawson leta 1955, to določa pogoje, v katerih bo samosegrevanje pri fuziji preseglo energijo, izgubljeno s prevodnostjo in sevanjem. Hurricane pravi, da so rezultati NIF izpolnili devet različnih formulacij merila za inercialno zaprto fuzijo, s čimer so pokazali vžig "brez dvoumnosti".

Trije posnetki in izpadeš

Po rekordnem strelu so Hurricane in nekateri njegovi kolegi znanstveniki pri NIF želeli ponoviti njihov uspeh. Toda vodstvo laboratorija ni bilo tako navdušeno. Po navedbah Mark Herrmann, takrat namestnik direktorja Livermoreja za temeljno fiziko orožja, je bilo po N210808 ustanovljenih več delovnih skupin, da bi ocenili naslednje korake. Pravi, da je vodstvena ekipa, sestavljena iz približno 10 strokovnjakov za inercialno omejitev, združila te ugotovitve in sestavila načrt, ki ga je predstavila septembra.

Herrmann pravi, da je načrt vseboval tri dele – poskus reprodukcije N210808; analiza eksperimentalnih pogojev, ki so omogočili rekordni strel; in poskuša pridobiti "močne megajoulske donose". Razprava o prvi točki je vključevala, kar Herrmann opisuje kot "veliko različnih mnenj" med približno 100 znanstveniki, ki delajo na fuzijskem programu. Na koncu glede na "omejene vire" in omejeno število tarč v seriji, ki vsebuje N210808, pravi, da se je vodstvena ekipa odločila le za tri dodatne strele.

Hurricane se spominja nekoliko drugače, saj pravi, da so bile štiri ponovitve. Ti poskusi, pravi, so bili izvedeni v približno trimesečnem obdobju in so dosegli donose, ki so segali od manj kot petine do približno polovice tistega, ki je bil dosežen avgusta. Vendar trdi, da so bili ti posnetki še vedno "zelo dobri poskusi", dodal pa je, da so izpolnjevali tudi nekatere formulacije Lawsonovega kriterija. Razlika v uspešnosti, pravi, "ni tako binarna, kot so jo ljudje predstavljali".

Postopek plazemskega premazovanja je recept, tako kot pri peki kruha ne izpade vsakič popolnoma enako

Orkan Omar

Glede tega, kaj je povzročilo to veliko razliko v proizvodnji, Herrmann pravi, da so vodilna hipoteza praznine in luknje v kapsulah za gorivo, ki so narejene iz industrijskega diamanta. Pojasnjuje, da se lahko te nepopolnosti povečajo med postopkom implozije, kar povzroči, da diamant vstopi v vročo točko. Glede na to, da ima ogljik višje atomsko število kot devterij ali tritij, lahko seva veliko bolj učinkovito, kar ohlaja vročo točko in zmanjšuje zmogljivost. 

Hurricane se strinja, da diamant verjetno igra pomembno vlogo pri spreminjanju zmogljivosti od strela do strela. Poudarja, da je pričakovati velike razlike v izhodu glede na nelinearnost implozij NIF, pravi, da vpleteni znanstveniki ne razumejo popolnoma postopka plazemske prevleke, ki se uporablja med izdelavo kapsul. "To je recept," pravi, "zato tako kot pri peki kruha ne uspe vsakič popolnoma enako."

Pot do fuzijske energije

Hurricane pravi, da ekipa zdaj preiskuje več načinov za povečanje proizvodnje NIF poleg izboljšanja kakovosti kapsul. Ti vključujejo spreminjanje debeline kapsule, spreminjanje velikosti ali geometrije hohlrauma ali morebitno povečanje energije laserskega impulza na približno 2.1 MJ, da se zmanjša natančnost, potrebna za tarčo. Pravi, da ni "čarobne številke", ko gre za ciljni dobiček, vendar dodaja, da večji ko je dobiček, večji je prostor parametrov, ki ga je mogoče raziskati pri upravljanju zalog. Poudarja tudi, da pridobitev 1 ne pomeni, da objekt ustvarja neto energijo, glede na to, kako malo vhodne električne energije laser pretvori v svetlobo na tarči – v primeru NIF manj kot 1 %.

Dolga pot do vžiga

Michael Campbell z Univerze v Rochestru v ZDA računa, da bi lahko NIF dosegel dobiček vsaj 1 "v naslednjih 2–5 letih", ob ustreznih izboljšavah hohlrauma in cilja. Vendar trdi, da bi doseganje komercialno pomembnih dobičkov 50–100 verjetno zahtevalo prehod z NIF-ovega »posrednega pogona«, ki ustvarja rentgenske žarke za stiskanje tarče, na potencialno učinkovitejši, a težavnejši »neposredni pogon«, ki temelji na samega laserskega sevanja.

Kljub več milijardam dolarjev, ki bodo verjetno potrebni, je Campbell optimističen, da lahko ustrezna elektrarna z neposrednim pogonom pokaže takšne dobičke do konca leta 2030 – zlasti, pravi, če je vpleten zasebni sektor. Opozarja pa, da komercialne elektrarne verjetno ne bodo začele obratovati vsaj do sredine stoletja. "Fuzijska energija je dolgoročna," pravi, "mislim, da morajo biti ljudje realistični glede izzivov."