National Ignition Facility's milstolpe för tändning sätter igång ett nytt tryck för laserfusion

National Ignition Facility's milstolpe för tändning sätter igång ett nytt tryck för laserfusion

Tidsstämpel: 20 januari 2023 9:50

US National Ignition Facility:s historiska demonstration av antändning stimulerar förnyad optimism för laserfusion, inklusive från privata investerare, som Edwin Cartlidge rapporter 

US National Ignition Facility
Stora vinster Demonstrationen av energi breakeven vid National Ignition Facility förra året har inspirerat vissa företag att påskynda sina planer på att kommersialisera fusionsenergi. (Med tillstånd: Damien Jemison/LLNL)

I över ett decennium har fysiker vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien har försökt göra något i labbet som bara tidigare hade inträffat inuti vätebombernas stridsspetsar. Deras mål har varit att använda intensiva ljuspulser från världens största laser – 3.5 miljarder dollar Nationell tändanläggning (NIF) – för att krossa små kapslar av vätebränsle så att de exceptionella temperaturer och tryck som skapas däri ger energiproducerande fusionsreaktioner. Fram till slutet av förra året hade en rad tekniska bakslag hindrat dem från att nå sitt mål, så kallat ignition. Men strax efter klockan 1 den 5 december en större än vanligt utbrott av neutroner i detektorerna som omger laserns fokus signalerade framgång – reaktionerna i detta fall har producerat mer än 1.5 gånger den energi de förbrukade.

Bragden skapade rubriker runt om i världen och stimulerade fantasin hos både allmänheten, politiker och fusionsexperter. USA:s energisekreterare Jennifer Granholm hyllade "landmärkesprestationen", medan Michael Campbell från University of Rochester i USA beskrev resultatet som ett "Wright Brothers-ögonblick" för fusionsforskning. För Steven Rose från Imperial College London, tillkännagivandet tar bort alla kvardröjande tvivel om att så höga fusionsenergier är möjliga. "Om du inte får en energivinst som är större än en, kanske folk hävdar att du aldrig kan uppnå det", säger han.

Resultatet förnyade optimismen om att fusion äntligen kan möjliggöra en ny källa till ren, säker, säker och hållbar energi. Nu försöker regeringar och särskilt privata företag att utnyttja fusionsenergins enorma potential – med vissa företag som till och med lovar att de kommer att leverera el till elnätet från pilotkraftverk i början av nästa decennium.

Vissa forskare menar dock att sådana tidsskalor är orealistiska, med tanke på de enorma tekniska hinder som återstår på vägen mot fusionsenergi. Andra hävdar att en tidshorisont på 10–15 år är genomförbar, så länge som forskare och deras finansiärer antar rätt tänkesätt. För Troy Carter vid University of California, Los AngelesDetta innebär att man slutar beroende av stora, dyra, centraliserade anläggningar som NIF i fotbollsstadionstorlek och istället vänder sig till mindre, billigare projekt som leds av den mer risktoleranta privata sektorn. "Vi måste förändra vårt sätt att göra affärer", säger han.

Äntligen i mål

Att utnyttja energin som avges när lätta kärnor smälter kräver att kärnbränslet hålls i form av ett plasma vid temperaturer på runt 100 miljoner kelvin. Ett sätt att göra detta är att begränsa plasmat i ett magnetfält under ganska långa tidsperioder samtidigt som det värms upp med radiovågor eller partikelstrålar. Hittills har en sådan "magnetisk inneslutning" varit fysikers föredragna väg till fusionsenergi. Detta kommer att användas i både världens dyraste offentliga och privata reaktorer: $20+bn ITER anläggning under uppbyggnad i södra Frankrike och en maskin byggd av företaget Commonwealth Fusion Systems utanför Boston, USA, som hittills samlat in minst 2 miljarder dollar i finansiering.

Istället för att försöka uppnå ett stabilt tillstånd, fungerar "tröghetsinneslutning"-reaktorer ungefär som en förbränningsmotor - genererar energi genom en upprepad cykel av explosioner som flyktigt skapar enorma temperaturer och tryck. NIF gör detta genom att förstärka och fokusera 192 laserstrålar på en liten ihålig metallcylinder i mitten av vilken en kapsel i storleken pepparkorn innehåller väteisotoperna deuterium och tritium. Röntgenstrålar som genereras från cylinderns väggar spränger av den yttre ytan av kapseln, och tvingar resten av den inåt tack vare momentumkonservering och får deuterium- och tritiumkärnorna i den att smälta samman - i processen frigörs alfapartiklar (heliumkärnor) ), neutroner och mycket energi.

Denna process är extremt krävande och kräver exceptionellt exakt strålfokusering och ultrasläta kapslar för att säkerställa de nästan perfekt symmetriska implosioner som behövs för fusion. Faktum är att instabiliteter i plasman som bland annat skapats av implosionerna och defekterna i kapslarna innebar att Livermore-forskarna inte nådde sitt ursprungliga mål för antändning (eller "breakeven") 2012. Men genom en serie noggranna mätningar på successiva laserskott kunde de gradvis förfina sin experimentella uppställning och slutligen avfyra det historiska skottet – vilket gav 3.15 miljoner joule (MJ) fusionsenergi efter att ha levererat 2.05 MJ laserenergi till målet.

Omar Hurricane, chefsforskare för Livermores fusionsprogram för tröghetsinneslutning, säger att de nu planerar att "omprioritera" sitt arbete för att driva på för högre, reproducerbara vinster genom att öka NIF:s laserenergi i steg om cirka 0.2 MJ. De avser också att studera effekten av att variera tjockleken på kärnbränslet inuti kapslarna och minska storleken på cylinderns laseringångshål. Han påpekar dock att NIF aldrig utformades för att demonstrera praktisk fusionsenergi – med tanke på att anläggningens huvudsakliga syfte är att tillhandahålla experimentella data för att stödja USA:s (ej längre testade) lager av kärnvapen. Som sådan är NIF extremt ineffektiv – dess 2 MJ blixtlampapumpade laser kräver cirka 400 MJ elektrisk energi, vilket motsvarar en "wall-plug" effektivitet på bara 0.5 %.

Riccardo Betti från University of Rochester säger att moderna lasrar som pumpas av dioder kan nå verkningsgrader så höga som 20 % men påpekar att marginaler som krävs för kraftverk (inklusive energi som går förlorad vid omvandling av värme till elektricitet) innebär att även dessa enheter kommer att behöva målvinster på "minst 50– 100” (jämfört med NIF:s 1.5). De kommer också att behöva ”skjuta” flera gånger i sekunden, medan NIF bara genererar ett skott ungefär en gång om dagen. Denna höga upprepningsfrekvens skulle kräva massproducerade mål som som mest kostar några tiotals cent, jämfört med de hundratusentals dollar som behövs för de på NIF (som är gjorda av guld och syntetisk diamant).

Går in på marknaden

Ett företag som tror att det kan kommersialisera fusionsenergi trots alla hinder är ett Kalifornien-baserat företag Longview Fusion Energy Systems. Longview, som grundades 2021 av flera tidigare Livermore-forskare, inklusive ex-NIF-direktören Edward Moses, syftar till att kombinera NIF:s måldesign med diodpumpade halvledarlasrar. Företaget tillkännagav sin existens samma dag som Livermore rapporterade NIF:s rekordskott och sa att man planerade att börja bygga ett pilotkraftverk inom de närmaste fem åren.

Longview säger att man har för avsikt att tillhandahålla 50 MW el till nätet senast 2035. Företaget erkänner att detta inte kommer att bli lätt, med en lasereffektivitet och repetitionsfrekvens på 18 % respektive 10–20 Hz. I synnerhet står det att även om de nödvändiga dioderna redan finns, har de "ännu inte paketerats i en integrerad strållinje för en laser i fusionsskala". Men det är fortfarande övertygat om att det kan hålla sin deadline, och noterar att lasern är inom en faktor två av tröskeln för optikskador som behövs för pilotanläggningen.

Alla är inte övertygade. Stephen Bodner, tidigare chef för laserfusionsprogrammet vid US Naval Research Laboratory i Washington DC, hävdar att NIF:s "indirect-drive"-teknik slösar för mycket energi på att generera röntgenstrålar (snarare än att belysa bränslekapslar direkt). Han är också skeptisk till Longviews påstående att det kan sänka målkostnaden till under $0.30 genom att sprida de avsevärda ingenjörs- och kapitalkostnaderna över de 500 miljoner mål som den säger att den kommer att behöva för sin pilotanläggning. "Det finns inget möjligt sätt för ett fusionsmål som det som används på NIF att någonsin förbättras tillräckligt för kommersiell fusionsenergi", säger han.

Ändå är Longview långt ifrån ensam om att tro att man har tekniken till hands för att föra världen med fusionsenergi. En rapport sammanställd förra året genom att Fusion Industry Association handelsorganet listar 33 företag i USA och på andra håll som arbetar med fusionsteknik – av vilka många också har aggressiva tidsskalor för att utveckla kraftverk. Ett sådant företag är Första ljuset, baserad nära Oxford, Storbritannien. Istället för att använda laserpulser för att komprimera bränslekapslar, skjuter First Light istället upp materialprojektiler – frimärksformade metallbitar – i extremt höga hastigheter med hjälp av den elektromagnetiska kraften som tillhandahålls av en enorm mängd kondensatorer som alla laddas ur nästan omedelbart. Projektilerna träffar specialgjorda mål, som var och en styr och förstärker stöttrycket på en bränslekapsel inbäddad inuti.

Företaget har hittills samlat in cirka 80 miljoner pund i finansiering och demonstrerat fusion med den största pulskraftsanläggningen i Europa. Nästa steg, enligt medgrundare och vd Nicholas Hawker, kommer att demonstrera tändning med en mycket större maskin om cirka fem år och sedan en pilotanläggning i "tidigt till mitten av 2030-talet". Hawker medger att många utmaningar ligger framför oss – som att kunna ladda projektiler en efter en och att utveckla lämpligt robusta högspänningsomkopplare – men han är övertygad om att systemets fysik är stabil. "Bränslekapseln är exakt densamma som NIF:s så det senaste resultatet minskar också vårt system avsevärt." 

Kontanter behövs

När det kommer till fysik, anser Betti att tröghetsinneslutningsfusion är bättre lämpad än magnetisk inneslutning. Medan NIF nu har visat att den förstnämnda kan generera självuppehållande reaktioner, menar han att instabiliteter som genereras nära antändningströskeln innebär att det fortfarande finns stora osäkerheter om huruvida tokamaks kan följa efter. Ändå säger han att båda formerna av fusion måste övervinna enorma hinder om de ska ge ekonomiskt konkurrenskraftig energi – inklusive demonstrationen av höga vinster från massproducerade mål när det gäller laserfusion. "Jag har svårt att tro att ett energisystem kan vara klart om 10 år", säger han.

NIF-forskare har gjort ett fantastiskt jobb under det senaste decenniet med att lösa några mycket svåra fysikproblem. De bör uppmärksammas för sitt stora arbete

Stephen Bodner

Carter är mer optimistisk. Han hävdar att pilotanläggningar skulle kunna realiseras om ungefär ett decennium, så länge som privata företag leder ansvaret i sin konstruktion medan regeringar stöder mer grundläggande underbyggande forskning som den om strålningsbeständiga material. Men han varnar för att den nödvändiga finansieringen kommer att bli avsevärd – cirka 500 miljoner dollar extra per år när det gäller den amerikanska regeringen. Om pengarna kommer, tillägger han, kan fullskaliga kommersiella anläggningar slås på "tidigare än 2050".

När det gäller vilken teknik som kommer att hamna i fabrikerna, insisterar Bodner på att den inte kommer att baseras på indirekt drivkraft. Troligtvis, hävdar han, kommer det att vara tröghetsinneslutning baserat på en annan sorts lasersystem som argonfluoridgaslasrar. Men han erkänner att uppskalning av alla system ger osäkerhet. Och han berömmer NIFs forskare för att de lyckats få fusionsforskningen hit. "De gjorde ett fantastiskt jobb under det senaste decenniet med att lösa några mycket svåra fysikproblem", säger han. "De borde uppmärksammas för sitt fantastiska arbete."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden