Laserové fúzní reaktor přístupy ‚hořící plazmy‘ milník
V cílové komory National Ignition Facility, 192 laserové paprsky jsou zaměřeny na pelety fusion palivo velikosti pepře.
Lawrence Livermore National Laboratory
V říjnu 2010, v budově o velikosti tři AMERICKÉ fotbalové hřiště, vědci z Lawrence Livermore National Laboratory napájen 192 laserových paprsků, zaměřil svou energii v pulsu s punč z jedoucího auta, a vystřelil na pelety jaderného paliva velikosti pepře. Tak začala kampaň National Ignition Facility (NIF) k dosažení cíle, to je jmenováno pro: zapálení fúzní reakce, která produkuje více energie než laserové staví.
deset let a téměř 3000 snímků později, NIF je stále generuje větší jiskru než bang, brání složité, špatně pochopil chování laserové cíle, když se vypaří a zhroutí. Ale s novým cílem vzory a laserový puls tvarů, spolu s lepší nástroje pro sledování miniaturní exploze, NIF vědci věří, že jsou blízko k důležitým intermediate milník známý jako „hořící plazma“: fúze hořet trvale teplem reakce, sama, spíše než vstupní laserové energie.
vlastní ohřev je klíčem ke spálení veškerého paliva a získání úniku energie. Jakmile NIF dosáhne prahu, simulace naznačují, že bude mít snadnější cestu k zapálení, říká Mark Herrmann, který dohlíží na fúzní program Livermore. „Tlačíme, jak to jde,“ říká. „Můžete cítit zrychlení v našem chápání.“Cizinci jsou také ohromeni. „Máte pocit, že existuje stálý pokrok a méně dohadů,“ říká Steven Rose, spoluředitel Centra pro inerciální fúzní studia na Imperial College v Londýně. „Vzdalují se od tradičně držených návrhů a zkoušejí nové věci.“
NIF však nemusí mít luxus času. Podíl NIF záběry věnované zapalování úsilí bylo snížit z maxima téměř 60% v roce 2012 na méně než 30%, dnes rezervovat více snímků pro zásoby správcovství—experimenty, které simulovaly jaderné výbuchy k ověření spolehlivosti hlavice. Prezidentské rozpočtové požadavky se v posledních letech opakovaně snažily omezit výzkum inerciální fúze v NIF a jinde, jen aby to Kongres zachoval. Poskytovatel NIF, Národní úřad pro jadernou bezpečnost (NNSA), přezkoumává pokrok stroje poprvé za 5 let. Pod tlakem na modernizaci jaderného arzenálu by agentura mohla rozhodnout o dalším posunu směrem k správcovství zásob. „Bude program zapalování vytlačen?“ptá se Mike Dunne, který řídil Livermoreovo úsilí o fúzní energii v letech 2010 až 2014. „Porota končí.“
Fúze již dlouho držel jako bezuhlíkovým zdrojem energie, poháněný snadno dostupné izotopy vodíku a produkovat žádné dlouhodobých radioaktivních odpadů. Zůstává však vzdáleným snem, a to i pro pomalu hořící magnetické pece ve tvaru koblihy, jako je projekt ITER ve Francii, jehož cílem je dosáhnout energetického zisku někdy po roce 2035.
NIF a další inerciální fúzní zařízení by byly méně jako pec a spíše jako spalovací motor, vyrábějící energii výbuchy rychlého požáru malých palivových pelet. Zatímco některé fúzní lasery zaměřují své paprsky přímo na pelety, záběry NIF jsou nepřímé: Paprsky tepla zlato může o velikosti jako guma na tužce, tzv. hohlraum, který emituje pulzní x-paprsky určena k zapálení fúze zahříváním paliva kapsle v jeho středu na desítky milionů stupňů a komprese na miliardy atmosfér.
Ale záběry v prvních 3 letech zapalování kampaně přinesly pouze asi 1 kj (kJ) energie každého, krátký 21 kJ čerpána do kapsle pomocí x-ray puls a daleko 1.8 megajoulech (MJ) v originální laserový puls. Siegfried Glenzer, který vedl počáteční kampaň, říká, že tým byl“ příliš ambiciózní “ ohledně dosažení zapalování. „Byli jsme příliš závislí na simulacích,“ říká Glenzer, nyní v Národní laboratoři urychlovače SLAC.
po neúspěšné kampani zapalování vědci NIF posílili své diagnostické nástroje. Přidali další neutronové detektory, aby jim poskytli 3D pohled na to, kde se děly fúzní reakce. Také přizpůsobili čtyři ze svých laserových paprsků k výrobě vysoce výkonných, ultrakrátkých impulzů okamžiků po implozi, aby odpařili tenké dráty blízko cíle. Dráty fungují jako rentgenová žárovka, schopná zkoumat palivo při kompresi. „Je to jako ct,“ říká planetární vědec Raymond Jeanloz z University of California, Berkeley, který používá NIF k replikaci tlaky na jádro obřích planet jako je Jupiter. (Asi 10% snímků NIF je věnováno Základní vědě.)
s jejich ostřejším viděním vědci sledovali úniky energie z implodující palivové pelety. Jeden přišel v místě, kde malá trubička vstřikovala palivo do kapsle před výstřelem. Aby se únik zapojil, tým udělal trubku ještě tenčí. Další úniky byly vysledovány zpět do plastového pláště kapsle, takže vědci přepracovali výrobu, aby vyhladili nedokonalosti pouhé miliontiny metru. Vylepšená diagnostika „opravdu pomáhá vědcům pochopit, jaká zlepšení jsou nutná,“ říká Mingsheng Wei z laboratoře pro laserovou energetiku University of Rochester.
Fire by trial
Národní zapalovací zařízení se uzavřelo při fúzním zapalování-získávalo více energie, než jde dovnitř-změnou laserových pulsů a cílů. Je ještě blíže teplotám a tlakům potřebným pro přechodný cíl: samozahřívací “ hořící plazma.“
tým také hrál s tvarem 20-ns laserovými pulzy. První výstřely se pomalu zvyšovaly, aby se zabránilo příliš rychlému zahřívání paliva a ztíženému stlačení. Pozdější impulsy stoupaly agresivněji, takže plastová kapsle měla méně času na smíchání s palivem během komprese, taktika, která poněkud zvýšila výnosy.
V současné kampaně, zahájené v roce 2017, vědci jsou zvýšení teploty o rozšíření hohlraum a kapsle až o 20%, zvýšení x-ray energie kapsle může absorbovat. Aby se zvýšil tlak, prodlužují dobu trvání pulsu a přecházejí z plastových kapslí na hustší diamantové, aby efektivněji stlačili palivo.
NIF opakovaně dosáhl výnosů blížících se 60 kJ. Ale Herrmann říká, že nedávný výstřel, diskutovaný na zasedání divize fyziky plazmatu Americké fyzikální společnosti začátkem tohoto měsíce, to překročil. Opakované záběry jsou plánovány tak, aby zjistily, jak blízko se dostaly k hořící plazmě, která se má objevit kolem 100 kJ. „Je to docela vzrušující,“ říká.
i při maximálním stlačení se vědci NIF domnívají, že pouze samotný střed paliva je dostatečně horký, aby se roztavil. Ale v povzbudivém zjištění, vidí důkaz, že horké místo získává podporu zahřívání z freneticky se pohybujících jader helia, nebo alfa částice, vytvořené fúzními reakcemi. Pokud NIF může čerpat jen trochu více energie, mělo by to vyvolat vlnu, která bude závodit z horkého místa a spalovat palivo.
Herrmann říká, že tým má stále několik triků vyzkoušet—z nichž každý může řídit teplot a tlaků na úrovni dostatečně vysoké pro udržení pálení plazmou a zapalování. Testují různé tvary hohlraum, aby lépe zaměřili energii na kapsli. Experimentují s dvoustěnnými kapslemi, které by mohly zachytit a přenášet rentgenovou energii efektivněji. A namáčením paliva do pěny uvnitř kapsle, spíše než zmrazením jako ledu ke stěnám kapsle, doufají, že vytvoří lepší centrální horké místo.
bude to stačit k dosažení zapálení? Pokud tyto kroky nestačí, další možností by bylo zvýšení energie laseru. NIF vědci testovali upgrade na čtyři beamlines a podařilo se mu získat podporu energie, který, pokud upgrady byly aplikovány na všechny trámy, přinese plnou zařízení v blízkosti 3 MJ.
tyto aktualizace by samozřejmě vyžadovaly čas a peníze NIF nemusí skončit. Vědci z oblasti fúze v NIF a jinde netrpělivě čekají na závěry přezkumu NNSA. „Jak daleko se můžeme dostat?“Ptá se Herrmann. „Jsem optimista. Zatlačíme NIF tak daleko, jak jen to půjde.“