Fysiker som arbetar på en laserfusionsanläggning i USA har tillkännagett en världsnyhet – generering av mer energi från en kontrollerad kärnfusionsreaktion än vad som behövdes för att driva reaktionen. De uppnådde detta med hjälp av 3.5 miljarder dollar Nationell tändanläggning (NIF) – ett system av lasrar i fotbollsstadionstorlek baserat på vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Kalifornien. Laserskottet, utfört den 5 december, frigjorde 3.15 miljoner Joule (MJ) energi från en liten pellet som innehöll två väteisotoper – jämfört med de 2.05 MJ som dessa lasrar levererade till målet.
Talar igår på en presskonferens i Washington DC som organiserades av Department of Energy för att tillkännage prestationen, noterade Mark Herrmann, chef för vapenfysik och design vid LLNL, att genombrottet har en dubbel betydelse. Även om det mer omedelbart borde förbättra USA:s förmåga att övervaka sitt lager av kärnvapen utan testning – NIF:s primära mål – kan det på längre sikt leda till en ny ren, hållbar energiform. Resultatet, sa han, hade gjort hans kollegor "riktigt pumpade".
För Michael Campbell vid University of Rochester i USA utgör överträffandet av "energi breakeven" - ett mål för forskare i årtionden - ett "bröder Wright ögonblick" för fusionsforskning. Steven Rose från Imperial College London hävdar att resultatet "visar definitivt att tröghetsfusion fungerar i megajoule-skala".
"Något stort"
NIF utlöser fusionsreaktioner genom att rikta nästan 200 kraftfulla laserstrålar mot insidan av en 1 cm lång ihålig metallcylinder. De intensiva röntgenstrålar som genereras i processen konvergerar på en 2 mm-diameter sfärisk kapsel placerad i mitten av cylindern som innehåller deuterium och tritium. När den yttre delen av kapseln sprängs av, tvingas deuterium och tritium inåt och upplever för ett kort ögonblick enorma tryck och temperaturer – tillräckligt höga för att kärnorna övervinner sin ömsesidiga repulsion och smälter samman, vilket ger värme, heliumkärnor och neutroner.
Efter att ha slagit på NIF 2009, tänkte forskarna ursprungligen nå breakeven (eller "tändning", som milstolpen ofta kallas) tre år senare. Men problem orsakade av instabilitet i plasma som genererades under fusion och asymmetrier i kapselimplosionerna begränsade anläggningens fusionseffekt.
Det har varit en 10-årig kamp med problemlösning i steg för att komma till denna punkt
Omar orkan
Det tog fram till början av 2021 för forskare att förstå implosionerna tillräckligt för att de skulle kunna skapa en "brinnande plasma" och generera mer värme från heliumkärnorna än vad som tillfördes av lasern. Senare samma år fick de äntligen en självförsörjande fusionsreaktion där den alstrade värmen överträffade förluster på grund av kylning – och uppnådde ett energiutbyte på 1.37 MJ.
LLNL-fysikern Annie Kritcher säger att det senaste resultatet uppnåddes genom att öka laserenergin något – cirka 8 % upp jämfört med de 1.92 MJ som användes förra året – samtidigt som kapslarna gjordes lite tjockare och därför något mer motståndskraftiga mot defekter. Dessutom förbättrade de implosionsymmetri genom att överföra energi mellan laserstrålar under fusionsprocessen.
Kritchers kollega Alex Zylstra noterade att det rekordstora skottet gjordes strax efter klockan 1 lokal tid den 5 december. Skottet genererade rikliga mängder neutroner, vilket tyder på att "något stort hade hänt", som labbchef Kim Budil uttryckte det. Ändå, tillägger Budil, utfördes massor av andra mätningar för att bekräfta det aldrig tidigare skådade draget, med ett team av oberoende experter som togs in för att granska resultaten innan de tillkännagavs i går.
Decennium lång "slog"
Enligt Omar Hurricane, chefsforskare för Livermores fusionsprogram, rådde det ingen tvekan om att break-even skulle uppnås med tanke på observationen av en brinnande plasma för ett par år sedan. Den enda frågan för honom var exakt när landmärket skulle inträffa. "Det har varit ett 10-årigt streck med problemlösning i steg för att komma till denna punkt," sa han Fysikvärlden. "Tio år känns långt men i verkligheten tror jag att det är en relativt kort tid för en så hård vetenskaplig utmaning."
National Ignition Facility:s laserfusionsmilstolpe väcker debatt
När det gäller var det senaste resultatet lämnar tröghetsfusion jämfört med ett rivaliserande system som förlitar sig på magneter för att innehålla plasma under relativt långa tidsperioder (som kommer att utnyttjas vid ITER i Frankrike), säger Livermores Tammy Ma att båda tillvägagångssätten har sina "fördelar och nackdelar". Även om magnetisk inneslutning ännu inte har uppnått breakeven, säger hon att det är mer avancerat när det gäller teknikutveckling. Hon påpekar faktiskt att NIF inte var designat för att demonstrera praktisk fusionsenergi – som förbrukar ungefär 300 MJ el för varje 2 MJ laserskott.
Både Ma och Campbell tror att det finns gott om utrymme för förbättringar. Medan NIF:s teknik från 1990-talet bara är 0.5 % effektiv, säger Campbell att moderna lasrar kan bli så höga som 20 %. I kombination med ytterligare förbättringar av energivinsten på målet, hävdar han att tröghetsfusion kan bli en kommersiell verklighet. Men han räknar med att den punkten fortfarande troligen är decennier bort med "många utmaningar" som först måste övervinnas.
