Geçen yılın rekor kıran füzyon enerjisi atışını yeniden üretemeyen ABD Ulusal Ateşleme Tesisi'ndeki bilim insanları, çizim tahtasına geri döndü. Edwin Cartlidge sonraki adımlarını tartışıyor
2021'de Ulusal Ateşleme Tesisi'nde 1.37 MJ üreten rekor kıran bir atış çoğaltılmadı. (Nezaket: LLNL)
Geçen yıl 8 Ağustos'ta ABD'deki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki fizikçiler dünyanın en büyük lazerini kullanarak rekor kıran bir deney gerçekleştirdiler. 192 milyar dolarlık yatırımın 3.5 kirişinin kullanılması Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF) döteryum ve trityum içeren karabiber büyüklüğünde bir kapsülü patlatarak iki hidrojen izotopunun kaynaşmasına neden oldular ve saniyenin çok küçük bir kısmı için kendi kendini sürdüren bir füzyon reaksiyonu oluşturdular. Lazere güç sağlamak için kullanılan enerjinin %70'inden fazlasının açığa çıktığı süreçle birlikte bu bulgu, dev lazerlerin yeni bir güvenli, temiz ve aslında sınırsız enerji kaynağı sağlayabileceğini öne sürdü.
Sonuç, Livermore laboratuvarındaki araştırmacıları, on yıldan fazla bir süredir önemli bir ilerleme kaydetmek için mücadele eden araştırmacıları kutlama havasına soktu. Ancak, başarıyı tekrarlamak için yapılan birkaç ardışık girişim yetersiz kaldığında, ilk heyecan kısa sürede azaldı; rekor kıran çıktının en iyi ihtimalle sadece yarısı toplandı. Livermore yönetiminin yalnızca birkaç tekrar deneyi denemeye karar vermesiyle laboratuvar başabaş arayışını askıya aldı ve bunun yerine çıktıdaki değişkenliğe neyin sebep olduğunu bulmaya çalıştı.
NIF'i eleştirenler için son rota düzeltmesi hiç de sürpriz olmadı; görünüşe göre tesisin sağlam füzyon enerjisi üretimi için bir test yatağı olarak uygun olmadığını bir kez daha gösterdi. Ancak pek çok bilim insanı iyimser olmaya devam ediyor ve NIF araştırmacıları da mücadele ederek, yakın zamanda rekor kıran atışlarının sonuçlarını yayınladılar. Physical Review Letters (129 075001). Sonuçta, füzyon reaksiyonlarından kaynaklanan ısınmanın soğumaya ağır bastığı noktaya ulaşarak, plazma sıcaklığını hızla artıran pozitif bir geri besleme döngüsü yaratarak "ateşlemeyi" başardıklarını iddia ediyorlar.
Livermore'un füzyon programının baş bilim insanı Omar Hurricane, asıl önemli olanın basit "enerji başa baş" tanımından ziyade bu fizik temelli ateşleme tanımı olduğunu savunuyor. Başabaş noktasına ulaşmayı "bir sonraki halkla ilişkiler etkinliği" olarak tanımlayarak, yine de bunun kendisinin ve meslektaşlarının ulaşmak istediği önemli bir kilometre taşı olduğunu söylüyor. Gerçekten de Livermore laboratuvarının ötesindeki fizikçiler, çok tartışılan hedefin vurulacağından eminler. Steven Rose Birleşik Krallık'taki Imperial College'daki öğrenciler başabaş noktasının yakalanabileceğine inanıyor.
Rekor kazanç
Füzyonu kontrol altına almaya çalışmak, hafif çekirdeklerden oluşan bir plazmanın, bu çekirdeklerin karşılıklı itmeyi yendiği ve daha ağır bir element oluşturmak üzere birleştiği noktaya kadar ısıtılmasını içerir. Süreç, döteryum ve trityum, helyum çekirdekleri (alfa parçacıkları) ve nötronlar gibi yeni parçacıkların yanı sıra çok büyük miktarda enerji de üretir. Plazma yeterince yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda yeterince uzun süre tutulabilirse, alfa parçacıkları reaksiyonları kendi başlarına sürdürmek için yeterli ısıyı sağlarken, nötronlar potansiyel olarak bir buhar türbinine güç sağlamak için durdurulabilir.
Füzyon tokamakları, plazmaları oldukça uzun süreler boyunca sınırlamak için manyetik alanları kullanır. NIF, bir "eylemsizlik sınırlama" cihazı olarak, bunun yerine, yeniden genleşmeden önce çok küçük miktarda yüksek oranda sıkıştırılmış füzyon yakıtı içinde kısa bir an için yaratılan aşırı koşullardan yararlanır. Yakıt, kabaca 2 cm uzunluğundaki silindirik metal "hohlraum"un merkezinde yer alan 1 mm çapında küresel bir kapsülün içine yerleştirilir ve NIF'in hassas bir şekilde yönlendirilmiş lazer ışınları hohlraumun içine çarpıp bir yakıt seli oluşturduğunda patlar. Röntgenler.
Tokamakların aksine, NIF öncelikle enerjiyi göstermek için tasarlanmamıştı; bunun yerine, ABD'nin 1992'de canlı testleri durdurduğu göz önüne alındığında, nükleer silah patlamalarını simüle etmek için kullanılan bilgisayar programlarını kontrol etme görevi görüyordu. Ancak 2009'da açıldıktan sonra kısa süre sonra Kendi operasyonlarını yönlendirmek için kullanılan programların, özellikle plazma kararsızlıklarıyla uğraşırken ve uygun simetrik patlamalar yaratırken, ilgili zorlukları hafife aldığı ortaya çıktı. NIF'in 2012 yılına kadar ateşlemeyi gerçekleştirme yönündeki ilk hedefini kaçırmasıyla, laboratuvarı denetleyen ABD Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi, patlama dinamiklerini daha iyi anlamak gibi zaman alıcı bir göreve odaklanmak için bu hedefi bir kenara bıraktı.
2021'in başlarında, bir dizi deneysel değişikliğin ardından Hurricane ve meslektaşları nihayet lazeri, alfa parçacıklarından gelen ısının harici enerji kaynağını aştığı, yanan bir plazma olarak bilinen şeyi oluşturmak için kullanabileceklerini gösterdiler. Daha sonra hohlraum'un lazer giriş deliklerini daraltmak ve lazerin tepe gücünü azaltmak da dahil olmak üzere bir dizi ek ayar yaptılar. Bunun etkisi, X-ışını enerjisinin bir kısmını atışta daha sonraya kaydırmaktı; bu da nükleer yakıta aktarılan gücü arttırdı; ışınımsal ve iletken kayıpları geride bırakacak kadar yükseğe itti.
Ağustos 2021'de NIF araştırmacıları dönüm noktası niteliğindeki "N210808" çekimini kaydetti. Bu durumda yakıtın merkezindeki sıcak nokta yaklaşık 125 milyon kelvin sıcaklığa ve 1.37 MJ enerji verimine sahipti; bu yılın başında elde edilen önceki en iyi sonuçtan yaklaşık sekiz kat daha yüksekti. Bu yeni verim, lazerin 0.72 MJ çıkışıyla karşılaştırıldığında 1.97'lik bir "hedef kazancı" ve bunun yerine kapsül tarafından emilen enerji dikkate alındığında 5.8'lik bir "kapsül kazancı" anlamına geliyordu.
Daha da önemlisi, Kasırga söz konusu olduğunda deney, tutuşma için Lawson kriteri olarak bilinen kriteri de karşıladı. İlk olarak 1955 yılında mühendis ve fizikçi John Lawson tarafından ortaya atılan bu yasa, füzyonun kendi kendine ısınmasının iletim ve radyasyon yoluyla kaybedilen enerjiyi aşacağı koşulları şart koşuyor. Hurricane, NIF sonuçlarının eylemsiz hapsetme füzyonu kriterinin dokuz farklı formülasyonunu karşıladığını ve dolayısıyla ateşlemenin "belirsizlik olmadan" olduğunu gösterdiğini söylüyor.
Üç atış ve sen dışarıdasın
Rekor kıran atışın ardından Hurricane ve NIF'teki bazı bilim insanı başarılarını tekrarlamak konusunda istekliydi. Ancak laboratuvarın yönetimi o kadar da hevesli değildi. Buna göre Mark HerrmannDaha sonra Livermore'un temel silah fiziği müdür yardımcısı olarak, N210808'in ardından sonraki adımları değerlendirmek üzere birkaç çalışma grubu kuruldu. Atalet hapsi konusunda yaklaşık 10 uzmandan oluşan bir yönetim ekibinin bu bulguları bir araya getirdiğini ve Eylül ayında sunduğu bir plan hazırladığını söylüyor.
Herrmann, planın üç bölümden oluştuğunu söylüyor: N210808'i yeniden üretmeye çalışmak; rekor kıran atışı mümkün kılan deneysel koşulların analiz edilmesi; ve “güçlü megajoule getirileri” elde etmeye çalışıyoruz. İlk noktanın tartışılması, Herrmann'ın füzyon programı üzerinde çalışan yaklaşık 100 bilim insanı arasında "çok çeşitli görüşler" olarak tanımladığı şeyi içeriyordu. Sonunda, "sınırlı kaynaklar" ve N210808 içeren grupta sınırlı sayıda hedef göz önüne alındığında, yönetim ekibinin yalnızca üç ek atışta karar kıldığını söylüyor.
Kasırganın dört tekrarı olduğunu söyleyerek biraz farklı bir anısı var. Kendisi, bu deneylerin kabaca üç aylık bir süre boyunca gerçekleştirildiğini ve ağustos ayında elde edilenin beşte birinden azı ile yaklaşık yarısı arasında değişen verimler elde edildiğini söylüyor. Ancak bu çekimlerin hâlâ "çok iyi deneyler" olduğunu savunuyor ve Lawson kriterinin bazı formülasyonlarını da karşıladıklarını ekliyor. Performanstaki farkın "insanların tasvir ettiği kadar ikili olmadığını" söylüyor.
Plazma kaplama işlemi bir tariftir, dolayısıyla tıpkı ekmek pişirmek gibi her seferinde tam olarak aynı şekilde sonuçlanmaz.
Ömer Kasırgası
Üretimdeki bu büyük değişime neyin sebep olduğu konusunda Herrmann, önde gelen hipotezin endüstriyel elmastan yapılmış yakıt kapsüllerindeki boşluklar ve oyuklar olduğunu söylüyor. Bu kusurların patlama süreci sırasında artarak elmasın sıcak noktaya girmesine neden olabileceğini açıklıyor. Karbonun atom numarasının döteryum veya trityumdan daha yüksek olduğu göz önüne alındığında, çok daha verimli bir şekilde yayılabilir, bu da sıcak noktayı soğutur ve performansı düşürür.
Hurricane, elmasın atıştan atışa performansı değiştirmede muhtemelen önemli bir rol oynadığı konusunda hemfikir. NIF'in patlamalarının doğrusal olmaması göz önüne alındığında çıktıda büyük değişikliklerin bekleneceğine işaret ederek, ilgili bilim adamlarının kapsüllerin imalatı sırasında kullanılan plazma kaplama sürecini tam olarak anlamadıklarını söylüyor. "Bu bir tarif" diyor ve ekliyor: "tıpkı ekmek pişirmek gibi, her seferinde tam olarak aynı şekilde çıkmaz."
Füzyon enerjisine giden yol
Hurricane, ekibin şimdi kapsül kalitesini artırmanın yanı sıra NIF'in çıktısını artırmanın çeşitli yollarını araştırdığını söyledi. Bunlar, kapsül kalınlığının değiştirilmesini, hohlraumun boyutunun veya geometrisinin değiştirilmesini veya muhtemelen hedef için gereken hassasiyeti azaltmak için lazer darbe enerjisinin yaklaşık 2.1 MJ'ye çıkarılmasını içerir. Hedef kazanç söz konusu olduğunda "sihirli bir sayı" olmadığını söylüyor ancak kazanç ne kadar yüksekse, stok yönetimi yaparken keşfedilebilecek parametre alanının da o kadar büyük olduğunu ekliyor. Ayrıca, lazerin gelen elektrik enerjisinin ne kadar azını hedefte ışığa dönüştürdüğü göz önüne alındığında (NIF durumunda %1'den az), 1 kazancın tesisin net enerji ürettiği anlamına gelmediğine dikkat çekiyor.
Ateşlemeye giden uzun yol
Rochester Üniversitesi'nden Michael Campbell ABD'de, hohlraum ve hedefte yeterli iyileştirmeler sağlandığı takdirde NIF'in "önümüzdeki 1-2 yıl içinde" en az 5 kazanç elde edebileceği tahmin ediliyor. Ancak ticari olarak anlamlı 50-100 kazanıma ulaşmanın muhtemelen NIF'in hedefi sıkıştırmak için X-ışınları üreten "dolaylı tahrikinden", potansiyel olarak daha verimli ancak daha zorlayıcı "doğrudan tahrik"e dayalı bir geçiş gerektireceğini savunuyor. Lazer radyasyonunun kendisi.
İhtiyaç duyulması muhtemel birkaç milyar dolara rağmen Campbell, uygun bir doğrudan tahrikli tesisin 2030'ların sonuna kadar bu tür kazanımları gösterebileceği konusunda iyimser; özellikle de özel sektörün işin içinde olması durumunda. Ancak ticari enerji santrallerinin muhtemelen en azından yüzyılın ortasına kadar faaliyete geçmeyeceği konusunda uyarıyor. "Füzyon enerjisi uzun vadelidir" diyor ve ekliyor: "İnsanların zorluklar konusunda gerçekçi olması gerektiğini düşünüyorum."
