Laser fusion reactor approaches ”burning plasma” milestone
Sytytyslaitoksen kohdekammiossa 192 lasersädettä keskittyy pippurin kokoisiin fuusiopolttoainepelletteihin.
Lawrence Livermore National Laboratory
lokakuuta 2010 kolmen Yhdysvaltain kokoisessa rakennuksessa. jalkapallokentät, Lawrence Livermore National Laboratoryn tutkijat käynnistivät 192 lasersädettä, keskittivät energiansa pulssiksi ylinopeutta ajavan Kuorma-auton lyönnillä ja ampuivat sillä pippurin kokoista ydinpolttoainetta. Näin alkoi National Ignition Facility (NIF) – järjestön kampanja, jonka tavoitteena on saavuttaa tavoite, josta se on saanut nimensä: sytyttää fuusioreaktio, joka tuottaa enemmän energiaa kuin laser antaa.
vuosikymmen ja lähes 3000 laukausta myöhemmin NIF tuottaa yhä enemmän sähinää kuin pauketta, mikä johtuu laserkohteiden monimutkaisesta, huonosti ymmärretystä käyttäytymisestä niiden höyrystyessä ja luhistuessa. Mutta uusien kohteiden ja laserpulssin muotojen sekä parempien työkalujen avulla miniatyyriräjäytysten seuraamiseksi NIF: n tutkijat uskovat, että ne ovat lähellä tärkeää välivaihetta, joka tunnetaan nimellä ”palava plasma”: fuusiopoltto, jota ylläpitää itse reaktion lämpö eikä laserenergian tulo.
itsestään kuumeneminen on avain kaiken polttoaineen polttamiseen ja karanneen energianlisäyksen saamiseen. Kun NIF saavuttaa kynnyksen, simulaatiot viittaavat siihen, että sillä on helpompi tapa syttyä, Livermoren fusion-ohjelmaa valvova Mark Herrmann sanoo. ”Puskemme niin kovaa kuin pystymme”, hän sanoo. ”Ymmärryksemme kiihtymisen voi tuntea.”Ulkopuolisetkin ovat vaikuttuneita. ”Sinusta tuntuu, että edistystä tapahtuu tasaisesti ja arvailut vähenevät”, sanoo Steven Rose, Imperial College Londonin Inertial Fusion Studies-keskuksen johtaja. ”He etääntyvät perinteisistä malleista ja kokeilevat uusia asioita.”
NIFILLÄ ei kuitenkaan välttämättä ole ajan ylellisyyttä. Sytytysponnistukseen käytettyjen NIF-ammusten osuus on vähennetty vuoden 2012 korkeimmasta, lähes 60 prosentista alle 30 prosenttiin, jotta voitaisiin varata enemmän laukauksia varastoon—kokeisiin, joissa simuloidaan ydinräjäytyksiä taistelukärkien luotettavuuden todentamiseksi. Presidentin budjettipyynnöt ovat viime vuosina toistuvasti pyrkineet vähentämään inertiaalisen eristysfuusion tutkimusta NIF: ssä ja muualla, vain saadakseen kongressin säilyttämään sen. NIF: n rahoittaja, National Nuclear Security Administration (Nnsa), tarkastelee koneen etenemistä ensimmäistä kertaa 5 vuoteen. Ydinasearsenaalin uudenaikaistamispaineen vallitessa virasto voisi päättää vielä siirtymisestä varastojohtajuuteen. ”Puristetaanko sytytysohjelma pois?”kysyy Mike Dunne, joka johti Livermoren fuusioenergiaponnisteluja vuosina 2010-2014. ”Valamiehistö on ulkona.”
fuusiota on pitkään pidetty hiilettömänä energianlähteenä, jota ruokkivat helposti saatavilla olevat vedyn isotoopit ja joka ei tuota pitkäikäistä radioaktiivista jätettä. Se jää kuitenkin kaukaiseksi haaveeksi jopa Ranskan ITER-projektin kaltaisille hitaasti palaville, donitsin muotoisille magneettiuuneille, joiden tavoitteena on saavuttaa energianlisäys joskus vuoden 2035 jälkeen.
NIF ja muut inertiafuusiolaitteet eivät muistuttaisi NIF: ää vaan pikemminkin polttomoottoria, joka tuottaisi energiaa pienipolttoainepellettien pikaräjähdyksillä. Siinä missä jotkut fuusiolaserit suuntaavat säteensä suoraan pelletteihin, NIF: n laukaukset ovat epäsuoria: Säteet kuumentavat lyijykynän pyyhekumin kokoista kultapurkkia, jota kutsutaan hohlraumiksi ja joka lähettää röntgensäteiden pulssin, jonka on tarkoitus sytyttää fuusio kuumentamalla sen keskellä oleva polttoainekapseli kymmeniin miljooniin asteisiin ja puristamalla se miljardeihin ilmakehiin.
mutta sytytyskampanjan ensimmäisten 3 vuoden aikana otetut laukaukset tuottivat kukin vain noin 1 kilojoulen (kJ) verran energiaa, mikä on vähemmän kuin röntgenpulssin kapseliin pumppaama 21 kJ ja paljon vähemmän kuin alkuperäisen laserpulssin 1,8 megajoulea (MJ). Alkukampanjaa johtanut Siegfried Glenzer sanoo tiimin olleen” liian kunnianhimoinen ” syttymisen suhteen. ”Olimme liian riippuvaisia simulaatioista”, sanoo Glenzer, joka työskentelee nyt SLAC National Accelerator Laboratoryssa.
epäonnistuneen sytytyskampanjan jälkeen NIF: n tutkijat tehostivat diagnostisia laitteitaan. He lisäsivät lisää neutroniantureita, jotta saisivat 3D-kuvan fuusioreaktioiden tapahtumapaikasta. He myös muokkasivat neljä lasersäteistään tuottamaan suuritehoisia ultrashort-pulsseja hetkeä luhistumisen jälkeen höyrystääkseen ohuita johtoja lähellä kohdetta. Johdot toimivat läpivalaisulampuna, joka pystyy tutkimaan polttoainetta sen puristuessa. ”Se on kuin kerroskuvaus”, sanoo planeettatutkija Raymond Jeanloz Kalifornian yliopistosta Berkeleystä, joka jäljittelee NIF: n avulla Jupiterin kaltaisten jättiläisplaneettojen ytimessä olevia paineita. (Noin 10% NIF-otoksista on omistettu perustieteelle.)
terävämmällä näkökyvyllään tutkijat ovat jäljittäneet räjähtävän polttoainepelletin energiavuotoja. Yksi tuli kohdassa, jossa pieni putki ruiskutti polttoainetta kapseliin ennen laukausta. Vuodon tukkimiseksi tiimi ohensi putkea entisestään. Muut vuodot jäljitettiin kapselin muovikuoreen, joten tutkijat uudistivat valmistusta tasoittaakseen vain metrin miljoonasosan epätäydellisyydet. Parannettu diagnostiikka ”todella auttaa tiedemiehiä ymmärtämään, mitä parannuksia tarvitaan”, sanoo Mingsheng Wei Rochesterin yliopiston laserenergian laboratoriosta.
Fire by trial
the National Ignition Facility has closed in on fusion ignition—getting more energy out than goes in—by modifying its laser pulssit and targets. Se on vielä lähempänä lämpötiloja ja paineita, joita tarvitaan välitavoitteeseen: itsestään kuumenevaan ”palavaan plasmaan.”
joukkue on pelannut myös 20 nanosekunnin laserpulssien muodolla. Varhaiset laukaukset aktivoituivat hitaasti, jotta polttoaine ei kuumenisi liian nopeasti ja se vaikeuttaisi pakkaamista. Myöhemmin pulssit ramped ylös aggressiivisemmin niin, että muovikapseli oli vähemmän aikaa sekoittaa polttoaineen aikana puristus, taktiikka, joka lisäsi saantoja jonkin verran.
nykyisessä, vuonna 2017 alkaneessa kampanjassa tutkijat nostavat lämpötiloja suurentamalla hohlraumia ja kapselia jopa 20%, mikä lisää kapselin absorboimaa röntgenenergiaa. Paineen nostamiseksi he pidentävät pulssin kestoa ja vaihtavat muovikapseleista tiheämpiin timanttikapseleihin, jotta polttoaine tiivistyy tehokkaammin.
NIF on toistuvasti saavuttanut noin 60 kJ: n tuotoksen. Herrmannin mukaan tuore otos, josta keskusteltiin American Physical Society ’ s Division of Plasma Physics-kokouksessa aiemmin tässä kuussa, on ylittänyt sen. Uusintakuvauksia suunnitellaan sen mittaamiseksi, kuinka lähelle palavaa plasmaa he pääsivät, minkä ennustetaan tapahtuvan noin 100 kJ: n paikkeilla. ”Se on aika jännää”, hän sanoo.
maksimipuristuksellakin NIF: n tutkijat uskovat, että vain polttoaineen keskiosa on tarpeeksi kuuma syttyäkseen. Mutta rohkaisevana löydöksenä he näkevät todisteita siitä, että kuuma piste saa kuumentumisvauhtia fuusioreaktioiden synnyttämistä vimmaisesti liikkuvista heliumytimistä eli alfahiukkasista. Jos NIF pystyy pumppaamaan sisään vähän enemmän energiaa, sen pitäisi sytyttää aalto, joka syöksyy kuumasta pisteestä ulos ja polttaa samalla polttoainetta.
Herrmann sanoo, että tiimillä on vielä muutama kikka kokeiltavana—jokainen niistä voisi ajaa lämpötilat ja paineet riittävän korkeiksi, jotta palava plasma ja sytytys kestäisivät. He testaavat eri hohlraum-muotoja keskittääkseen energian paremmin kapseliin. He kokeilevat kaksoisseinäisiä kapseleita, jotka voisivat vangita ja siirtää röntgenenergiaa tehokkaammin. Ja liottamalla polttoainetta kapselin sisällä olevaan vaahtoon, sen sijaan että se jähmettyisi kapselin seinämiin, he toivovat muodostavansa paremman keskuskohdan.
riittääkö se syttymiseen? Jos nämä vaiheet eivät riitä, lisäämällä laser energia olisi seuraava vaihtoehto. NIF: n tutkijat ovat testanneet päivityksiä neljällä beamlinesilla ja onnistuneet saamaan energianousun, joka, jos päivityksiä sovellettaisiin kaikkiin säteisiin, toisi täyden laitoksen lähelle 3 MJ.
noihin päivityksiin menisi tietysti aikaa ja rahaa NIF ei välttämättä lopulta saa. Fuusiotutkijat NIF: ssä ja muualla odottavat malttamattomina nnsa: n katsauksen johtopäätöksiä. ”Kuinka pitkälle voimme päästä? Herrmann kysyy. ”Olen optimisti. Työnnämme NIFIN niin pitkälle kuin mahdollista.”