a Laser fusion reactor approaches ‘burning plasma’ mérföldkő
a National Ignition Facility célkamrájában 192 lézersugár összpontosul a bors méretű fúziós üzemanyag pelletjeire.
Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium
2010 októberében egy három amerikai méretű épületben. a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium kutatói 192 lézersugarat hajtottak végre, energiájukat impulzussá koncentrálták egy gyorshajtású teherautó ütésével, és egy borsos méretű nukleáris üzemanyag-pelletre lőtték. Így kezdődött a National Ignition Facility (NIF) kampánya annak a célnak a elérése érdekében, amelyről elnevezték: olyan fúziós reakció meggyújtása, amely több energiát termel, mint amennyit a lézer betesz.
egy évtizeddel és közel 3000 lövéssel később a NIF még mindig több fizz-t generál, mint bumm, amit a lézer célpontok összetett, rosszul megértett viselkedése akadályoz, amikor elpárolognak és felrobbannak. De az új céltervekkel és a lézerimpulzus alakzatokkal, valamint a miniatűr robbanások megfigyelésének jobb eszközeivel a NIF kutatói úgy vélik, hogy közel állnak egy fontos közbenső mérföldkőhöz, amelyet “égő plazmának” neveznek: egy fúziós égést, amelyet maga a reakció hője tart fenn, nem pedig a lézerenergia bevitele.
az Önfűtés kulcsfontosságú az összes üzemanyag elégetéséhez és az elszabadult energianyereség eléréséhez. Amint a NIF eléri a küszöböt, a szimulációk azt sugallják, hogy könnyebb lesz a gyújtás útja-mondja Mark Herrmann, aki a Livermore fúziós programját felügyeli. “Olyan keményen nyomunk, amennyire csak tudunk” – mondja. “Érezni lehet a megértésünk gyorsulását.”A kívülállókat is lenyűgözte. “Úgy érzi, hogy folyamatos fejlődés és kevesebb találgatás van” -mondja Steven Rose, az Imperial College London inerciális fúziós Tanulmányok Központjának társigazgatója. “Eltávolodnak a hagyományosan megtartott tervektől, és új dolgokat próbálnak ki.”
a NIF-nek azonban nem biztos, hogy megvan az idő luxusa. A gyújtási erőfeszítésekre szánt NIF lövések arányát a közel 60%—ról 2012-ben kevesebb mint 30% – ra csökkentették, hogy több lövést tartalékoljanak a készletgazdálkodásra-olyan kísérletek, amelyek szimulálják a nukleáris robbanásokat a robbanófejek megbízhatóságának ellenőrzése érdekében. Az elnöki költségvetési kérelmek az elmúlt években többször is arra törekedtek, hogy csökkentsék a NIF-nél és másutt az inerciális bezártság fúziójának kutatását, csak hogy a Kongresszus megőrizze. A NIF finanszírozója, a Nemzeti Nukleáris Biztonsági Igazgatóság (NNSA) 5 év után először vizsgálja felül a gép előrehaladását. A nukleáris arzenál korszerűsítésére irányuló nyomás alatt az ügynökség dönthet a készletgazdálkodás felé történő további elmozdulásról. “Ki fogják szorítani a gyújtási programot?”- kérdezi Mike Dunne, aki 2010-től 2014-ig irányította a Livermore fúziós energia erőfeszítéseit. “Az esküdtszéknek vége.”
a fúziót régóta szénmentes energiaforrásként tartják fenn, amelyet könnyen elérhető hidrogén izotópok táplálnak, és nem termelnek hosszú élettartamú radioaktív hulladékot. De ez továbbra is távoli álom, még a lassan égő, fánk alakú mágneses kemencék számára is, mint például a franciaországi ITER projekt, amelynek célja az energianyereség elérése valamikor 2035 után.
a NIF és más inerciális fúziós eszközök kevésbé hasonlítanak egy kemencére, inkább egy belső égésű motorra, energiát termelnek a kicsinyítő üzemanyag-pelletek gyors tűzrobbanása révén. Míg egyes fúziós lézerek gerendáikat egyenesen a pelletekre irányítják, a NIF lövései közvetettek: A sugarak egy aranydobozt melegítenek, amely akkora, mint egy ceruzaradír, az úgynevezett hohlraum, amely röntgensugarak impulzusát bocsátja ki, amelynek célja a fúzió meggyújtása azáltal, hogy a közepén lévő üzemanyag-kapszulát több tízmillió fokra melegíti, és több milliárd atmoszférára tömöríti.
de a gyújtási kampány első 3 évében a lövések csak körülbelül 1 kilojoule (kJ) energiát eredményeztek, a röntgenimpulzus által a kapszulába pumpált 21 kJ-tól, és messze az eredeti lézerimpulzus 1,8 megajoule-jától (MJ). Siegfried Glenzer, aki a kezdeti kampányt vezette, szerint a csapat “túl ambiciózus” volt a gyújtás elérésében. “Túlságosan támaszkodtunk a szimulációkra” – mondja Glenzer, most a SLAC Nemzeti gyorsító laboratóriumában.
a sikertelen gyújtási kampány után a NIF kutatói feljavították diagnosztikai eszközeiket. További neutrondetektorokat adtak hozzá, hogy 3D-s képet kapjanak arról, hogy hol zajlanak a fúziós reakciók. Négy lézersugarukat úgy is adaptálták, hogy nagy teljesítményű, ultrarövid impulzusokat állítsanak elő pillanatokkal az implózió után annak érdekében, hogy a célhoz közeli vékony vezetékeket elpárologtassák. A vezetékek röntgensugaras villanógránátként működnek, amely tömörítés közben képes megvizsgálni az üzemanyagot. “Olyan, mint egy CT-vizsgálat” – mondja Raymond Jeanloz, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem bolygókutatója, aki a NIF-et használja az óriásbolygók, például a Jupiter magjában lévő nyomás megismétlésére. (A NIF felvételek körülbelül 10% – át az alaptudománynak szentelik.)
élesebb látásukkal a kutatók nyomon követték az energia szivárgását az implodáló üzemanyag-pelletből. Az egyik arra a pontra érkezett, ahol egy apró cső üzemanyagot fecskendezett a kapszulába a lövés előtt. A szivárgás lezárásához a csapat még vékonyabbá tette a csövet. Más szivárgásokat a kapszula műanyag héjáig vezettek vissza, így a kutatók átalakították a gyártást, hogy kiegyenlítsék a méter egymilliomod részének hiányosságait. A továbbfejlesztett diagnosztika “valóban segít a tudósoknak megérteni, hogy milyen fejlesztésekre van szükség” – mondja Mingsheng Wei, a Rochesteri Egyetem lézerenergia laboratóriuma.
Tűzpróba
a nemzeti Gyújtóüzem bezárta a fúziós gyújtást—több energiát kap ki, mint amennyit bemegy—a lézerimpulzusok és a célok megváltoztatásával. Még közelebb van a hőmérséklethez és a nyomáshoz, amely egy köztes célhoz szükséges: egy önmelegedő ” égő plazmához.”
a csapat a 20 nanoszekundumos lézerimpulzusok alakjával is játszott. A korai felvételek lassan felgyorsultak, hogy elkerüljék az üzemanyag túl gyors felmelegedését és megnehezítsék a tömörítést. A későbbi impulzusok agresszívebben emelkedtek fel, így a műanyag kapszulának kevesebb ideje volt keverni az üzemanyaggal a tömörítés során, ez a taktika némileg növelte a hozamokat.
a jelenlegi, 2017-ben megkezdett kampányban a kutatók a hohlraum és a kapszula akár 20% – kal történő megnövelésével növelik a hőmérsékletet, növelve a kapszula által elnyelt röntgenenergiát. A nyomás növelése érdekében meghosszabbítják az impulzus időtartamát, és műanyag kapszulákról sűrűbb gyémántokra váltanak, hogy hatékonyabban tömörítsék az üzemanyagot.
a NIF ismételten elérte a 60 kJ-hozamot. De Herrmann szerint egy közelmúltbeli lövés, amelyet az American Physical Society Plazmafizikai osztályának találkozóján tárgyaltak a hónap elején, meghaladta ezt. Az ismételt felvételeket úgy tervezik, hogy felmérjék, milyen közel kerültek az égő plazmához, amely az előrejelzések szerint 100 kJ körül fordul elő. “Nagyon izgalmas” – mondja.
a NIF kutatói még a maximális tömörítés mellett is úgy vélik, hogy csak az üzemanyag közepe elég forró ahhoz, hogy megolvadjon. De egy biztató megállapításban bizonyítékot látnak arra, hogy a forró pont fűtési lendületet kap a fúziós reakciók által létrehozott frenetikusan mozgó héliummagokból vagy alfa-részecskékből. Ha a NIF csak egy kicsit több energiát tud pumpálni, akkor olyan hullámot kell kiváltania, amely a forró pontból indul ki, üzemanyagot éget, ahogy megy.
Herrmann szerint a csapatnak még van néhány trükkje, amelyeket ki kell próbálnia—amelyek mindegyike elég magas szintre vezetheti a hőmérsékletet és a nyomást ahhoz, hogy fenntartsa az égő plazmát és a gyulladást. Különböző hohlraum formákat tesztelnek, hogy jobban összpontosítsák az energiát a kapszulára. Kettős falú kapszulákkal kísérleteznek, amelyek hatékonyabban képesek befogni és átvinni a röntgensugár energiáját. És azáltal, hogy az üzemanyagot a kapszula belsejében lévő habba áztatják, ahelyett, hogy jégként fagyasztanák a kapszula falához, remélik, hogy jobb központi forró pontot képeznek.
ez elég lesz a gyújtás eléréséhez? Ha ezek a lépések nem elegendőek, a lézerenergia növelése lenne a következő lehetőség. A NIF kutatói négy sugárvonalon tesztelték a fejlesztéseket, és sikerült olyan energiabővítést elérni, amely, ha a fejlesztéseket az összes gerendára alkalmazzák, a teljes létesítményt közel 3 MJ-hoz vezetné.
ezek a fejlesztések természetesen időt és pénzt igényelnének a NIF-től. A fúziós tudósok a NIF-nél és máshol is izgatottan várják az NNSA felülvizsgálatának következtetéseit. “Milyen messzire juthatunk?”- Kérdezi Herrmann. “Optimista vagyok. Olyan messzire toljuk a NIF-et, amennyire csak tudjuk.”