Efter att ha misslyckats med att reproducera förra årets rekordstora fusionsenergiskott, har forskare vid US National Ignition Facility gått tillbaka till ritbordet. Edwin Cartlidge diskuterar deras nästa steg
Ett rekordstort skott vid National Ignition Facility 2021 som gav 1.37 MJ har inte reproducerats. (Med tillstånd: LLNL)
Den 8 augusti förra året använde fysiker vid Lawrence Livermore National Laboratory i USA världens största laser för att genomföra ett rekordexperiment. Använder de 192 balkarna av $3.5 miljarder Nationell tändanläggning (NIF) för att implodera en kapsel i storleken av pepparkorn innehållande deuterium och tritium, fick de de två väteisotoperna att smälta samman, vilket genererade en självuppehållande fusionsreaktion under en bråkdel av en sekund. Eftersom processen avger över 70 % av energin som används för att driva lasern, antydde upptäckten att gigantiska lasrar ännu kan möjliggöra en ny källa till säker, ren och i princip obegränsad energi.
Resultatet gjorde forskare vid Livermore-labbet på en festlig stämning, efter att ha kämpat i mer än ett decennium för att göra betydande framsteg. Men den initiala spänningen försvann snart när flera efterföljande försök att reproducera prestationen misslyckades – uppbådade i bästa fall bara hälften av den rekordstora produktionen. Eftersom Livermore-ledningen hade bestämt sig för att bara prova en handfull upprepade experiment, lade labbet sin strävan efter breakeven på is och försökte istället ta reda på vad som orsakade variationen i produktionen.
För kritiker av NIF kom den senaste kurskorrigeringen inte som någon överraskning, vilket tydligen återigen illustrerar anläggningens olämplighet som testbädd för robust fusionsenergiproduktion. Men många forskare är fortfarande optimistiska och NIF-forskarna har själva kommit ut och kämpat och publicerade nyligen resultatet från deras rekordstora skott i Fysiska granskningsbrev (129 075001). De insisterar på att de trots allt har uppnått "antändning", och nått den punkt där uppvärmning från fusionsreaktionerna uppväger kylning, vilket skapar en positiv återkopplingsslinga som snabbt ökar plasmatemperaturen.
Omar Hurricane, chefsforskare för Livermores fusionsprogram, hävdar att denna fysikbaserade definition av antändning – snarare än den enkla "energi breakeven"-beskrivningen – är den som verkligen räknas. Han beskriver det slutliga uppnåendet av breakeven som "nästa PR-händelse", men han säger ändå att det fortfarande är en viktig milstolpe som han och hans kollegor vill nå. Faktum är att fysiker från andra sidan Livermore-labbet är övertygade om att det mycket omdiskuterade målet kommer att träffas. Steven Rose vid Imperial College i Storbritannien tror att "det finns alla utsikter" kommer att uppnås.
Rekordvinst
Försök att utnyttja fusion innebär att värma upp ett plasma av lätta kärnor till den punkt där dessa kärnor övervinner sin ömsesidiga repulsion och kombineras för att bilda ett tyngre element. Processen ger nya partiklar – i fallet med deuterium och tritium, heliumkärnor (alfapartiklar) och neutroner – samt enorma mängder energi. Om plasman kan hållas vid lämpligt enorma temperaturer och tryck tillräckligt länge, bör alfapartiklarna ge tillräckligt med värme för att upprätthålla reaktionerna på egen hand medan neutronerna potentiellt kan fångas upp för att driva en ångturbin.
Fusionstokamak använder magnetfält för att begränsa plasma under ganska långa perioder. NIF, som en "inertial-confinement"-enhet, utnyttjar istället de extrema förhållanden som skapas för ett flyktigt ögonblick inuti en liten mängd högkomprimerat fusionsbränsle innan det återexpanderar. Bränslet placeras inuti en 2 mm-diameter sfärisk kapsel, som är placerad i mitten av en ungefär 1 cm lång cylindrisk metall-”hohlraum” och imploderar när NIF:s exakt riktade laserstrålar träffar insidan av hohlraumen och genererar en flod av Röntgenstrålar.
I motsats till tokamaks, var NIF inte designat i första hand för att demonstrera energi utan istället fungera som en kontroll av de datorprogram som används för att simulera explosioner av kärnvapen – med tanke på att USA upphörde med livetestning 1992. Men efter att den slogs på 2009 snart blev uppenbart att de program som användes för att styra dess egen verksamhet hade underskattat svårigheterna, särskilt när man hanterade plasmainstabiliteter och skapade lämpligt symmetriska implosioner. När NIF missade sitt ursprungliga mål att uppnå antändning senast 2012, lade USA:s nationella kärnsäkerhetsadministration, som övervakar labbet, detta mål åt sidan för att koncentrera sig på den tidskrävande uppgiften att bättre förstå implosionsdynamiken.
I början av 2021, efter en rad experimentella modifieringar, visade Hurricane och kollegor äntligen att de kunde använda lasern för att skapa vad som kallas en brinnande plasma – där värmen från alfapartiklar överstiger den externa energitillförseln. De gjorde sedan en serie ytterligare justeringar, inklusive att krympa hohlraumens laseringångshål och sänka laserns toppeffekt. Effekten var att flytta en del av röntgenenergin till senare i skottet, vilket höjde kraften som överfördes till kärnbränslet - pressade den tillräckligt högt för att överträffa de strålnings- och ledande förlusterna.
I augusti 2021 spelade NIF-forskare in sitt landmärke "N210808"-skott. Hotspotten i mitten av bränslet hade i detta fall en temperatur på cirka 125 miljoner kelvin och ett energiutbyte på 1.37 MJ – cirka åtta gånger högre än deras tidigare bästa resultat, som erhölls tidigare under året. Denna nya avkastning innebar en "målförstärkning" på 0.72 - jämfört med laserns 1.97 MJ-effekt - och en "kapselförstärkning" på 5.8 när man istället beaktar energin som absorberas av kapseln.
Ännu viktigare, när det gäller Hurricane, uppfyllde experimentet också vad som är känt som Lawson-kriteriet för antändning. Först utformad av ingenjören och fysikern John Lawson 1955, fastställer detta de förhållanden under vilka fusionssjälvvärmning kommer att överstiga den energi som går förlorad via ledning och strålning. Hurricane säger att NIF-resultaten uppfyllde nio olika formuleringar av kriteriet för tröghetsinneslutningsfusion, och visar därmed tändning "utan tvetydighet".
Tre skott och du är ute
Efter det rekordstora skottet var Hurricane och några av hans forskarkollegor vid NIF angelägna om att upprepa sina framgångar. Men labbets ledning var inte så entusiastiska. Enligt Mark Herrmann, då Livermores biträdande chef för grundläggande vapenfysik, inrättades flera arbetsgrupper i kölvattnet av N210808 för att utvärdera nästa steg. Han säger att en ledningsgrupp bestående av ett tiotal experter på tröghetsinneslutning drog ihop dessa fynd och utarbetade en plan som den presenterade i september.
Herrmann säger att planen innehöll tre delar – ett försök att reproducera N210808; analysera de experimentella förhållandena som möjliggjorde det rekordstora skottet; och försöker få "robusta megajoule avkastning". Diskussionen om den första punkten involverade vad Herrmann beskriver som "en stor variation av åsikter" bland de cirka 100 forskare som arbetar med fusionsprogrammet. Till slut, med tanke på "begränsade resurser" och ett begränsat antal mål i partiet som innehåller N210808, säger han att ledningsgruppen nöjt sig med bara tre ytterligare skott.
Hurricane har ett lite annorlunda minne och säger att det var fyra upprepningar. Dessa experiment, säger han, utfördes under en period på ungefär tre månader och uppnådde avkastning som sträckte sig från mindre än en femtedel till ungefär hälften av den som uppnåddes i augusti. Men han hävdar att dessa bilder fortfarande var "mycket bra experiment", och tillägger att de också uppfyllde vissa formuleringar av Lawson-kriteriet. Skillnaden i prestanda, säger han, är "inte så binär som folk har framställt".
Plasmabeläggningsprocessen är ett recept, så precis som att baka bröd blir det inte exakt likadant varje gång
Omar orkan
När det gäller vad som orsakade denna enorma variation i produktion, säger Herrmann att den ledande hypotesen är tomrum och hål i bränslekapslarna, som är gjorda av industriell diamant. Han förklarar att dessa ofullkomligheter kan förstärkas under implosionsprocessen, vilket gör att diamanten kommer in i hot spot. Med tanke på att kol har ett högre atomnummer än deuterium eller tritium kan det utstråla mycket mer effektivt, vilket kyler den heta punkten och sänker prestandan.
Hurricane håller med om att diamanten sannolikt spelar en viktig roll för att variera skott-till-skott-prestandan. Han påpekar att stora variationer i produktionen kan förväntas med tanke på olinjäriteten i NIF:s implosioner, säger han att de inblandade forskarna inte helt förstår plasmabeläggningsprocessen som används under tillverkningen av kapslarna. "Det är ett recept", säger han, "så precis som att baka bröd blir det inte exakt likadant varje gång."
Vägen till fusionsenergi
Hurricane säger att laget nu undersöker flera sätt att höja NIF:s produktion förutom att förbättra kapselkvaliteten. Dessa inkluderar att ändra kapseltjockleken, ändra storleken eller geometrin på hohlraumen, eller eventuellt öka laserpulsenergin till cirka 2.1 MJ för att sänka precisionen som krävs för målet. Han säger att det inte finns "ingen magisk siffra" när det kommer till målvinsten men tillägger att ju högre förstärkning desto större parameterutrymme som kan utforskas när man gör lagerförvaltning. Han påpekar också att en vinst på 1 inte betyder att anläggningen genererar nettoenergi, med tanke på hur lite av den inkommande elektriska energin som lasern omvandlar till ljus på målet – i fallet med NIF, mindre än 1 %.
Den långa vägen till tändning
Michael Campbell från University of Rochester i USA räknar med att NIF skulle kunna uppnå en vinst på minst 1 "under de kommande 2–5 åren", givet adekvata förbättringar av hohlraum och mål. Men han menar att att komma upp till kommersiellt relevanta vinster på 50–100 förmodligen skulle kräva en byte från NIF:s "indirekta drift", som genererar röntgenstrålar för att komprimera målet, till den potentiellt effektivare men knepigare "direktdriften" som förlitar sig på själva laserstrålningen.
Trots de flera miljarder dollar som sannolikt kommer att behövas, är Campbell optimistisk att en lämplig direktdriven anläggning kan visa sådana vinster i slutet av 2030-talet – särskilt, säger han, om den privata sektorn är inblandad. Men han varnar för att kommersiella kraftverk troligen inte skulle börja fungera förrän åtminstone i mitten av seklet. "Fusionsenergi är långsiktigt", säger han, "Jag tror att folk måste vara realistiska om utmaningarna."
