Laser fusionsreaktor nærmer sig’ brændende plasma ‘ milepæl
i målkammeret i National Ignition Facility er 192 laserstråler fokuseret på pellets af fusionsbrændstof på størrelse med peberkorn.
Laurence Livermore National Laboratory
i oktober 2010, i en bygning på størrelse med tre Amerikanske. fodboldbaner, forskere ved Laurence Livermore National Laboratory drev op 192 laserstråler, fokuserede deres energi i en puls med en hurtig lastbil og fyrede den på en pellet atombrændstof på størrelse med en peberkorn. Så begyndte en kampagne fra National Ignition Facility (NIF) for at nå det mål, det er opkaldt efter: antænde en fusionsreaktion, der producerer mere energi, end laseren sætter ind.
et årti og næsten 3000 skud senere genererer NIF stadig mere boblevand end bang, hæmmet af den komplekse, dårligt forståede opførsel af lasermålene, når de fordamper og imploderer. Men med nye måldesign og laserpulsformer, sammen med bedre værktøjer til at overvåge miniatureeksplosionerne, NIF-forskere mener, at de er tæt på en vigtig mellemliggende milepæl kendt som “brændende plasma”: en fusionsforbrænding, der opretholdes af selve reaktionens varme snarere end input af laserenergi.
selvopvarmning er nøglen til at brænde alt brændstof op og få løbende energiforøgelse. Når NIF når tærsklen, antyder simuleringer, at det vil have en lettere vej til tænding, siger Mark Herrmann, der fører tilsyn med Livermores fusionsprogram. “Vi presser så hårdt vi kan,” siger han. “Du kan mærke accelerationen i vores forståelse.”Udenforstående er også imponeret. “Du føler, at der er stabile fremskridt og mindre gætteri,” siger Steven Rose, meddirektør for Center for Inertial Fusion Studies ved Imperial College London. “De bevæger sig væk fra design, der traditionelt holdes og prøver nye ting.”
NIF har muligvis ikke tidens luksus. Andelen af NIF-skud, der er afsat til tændingsindsatsen, er blevet skåret fra en høj på næsten 60% i 2012 til mindre end 30% i dag for at reservere flere skud til lagerforvaltning—eksperimenter, der simulerer nukleare detonationer for at hjælpe med at verificere pålideligheden af sprænghoveder. Præsidentbudgetanmodninger i de senere år har gentagne gange forsøgt at skære forskning i inertial indeslutningsfusion på NIF og andre steder, kun for at få Kongressen til at bevare den. NIF ‘ s funder, National Nuclear Security Administration (NNSA), gennemgår maskinens fremskridt for første gang i 5 år. Under pres for at modernisere atomarsenalet kunne agenturet beslutte et yderligere skift mod lagerforvaltning. “Vil tændingsprogrammet blive presset ud?”spørger Mike Dunne, der instruerede Livermores fusionsenergiindsats fra 2010 til 2014. “Juryen er ude.”
Fusion er længe blevet holdt op som en kulstoffri energikilde, drevet af let tilgængelige isotoper af brint og producerer intet langvarigt radioaktivt affald. Men det forbliver en fjern drøm, selv for de langsomt brændende, donutformede magnetiske ovne som ITER-projektet i Frankrig, der sigter mod at opnå energiforøgelse engang efter 2035.
NIF og andre inertiale fusionsenheder ville være mindre som en ovn og mere som en forbrændingsmotor, der producerer energi gennem hurtige brandeksplosioner af de mindskende brændstofpiller. Mens nogle fusionslasere retter deres bjælker lige mod pellets, NIFS skud er indirekte: Bjælkerne opvarmer en gulddåse på størrelse med en blyantgummi kaldet en hohlraum, der udsender en puls af røntgenstråler, der er beregnet til at antænde fusion ved at opvarme brændstofkapslen i midten til titusinder af grader og komprimere den til milliarder af atmosfærer.
men skud i de første 3 år af tændingskampagnen gav kun ca.1 kilojoule (kJ) energi hver, kort af 21 kJ pumpet ind i kapslen af røntgenpulsen og langt kort af 1,8 megajoule (MJ) i den oprindelige laserpuls. Siegfried, der ledede den indledende kampagne, siger, at holdet var” alt for ambitiøst ” med hensyn til at nå antændelse. “Vi var alt for afhængige af simuleringer,” siger han, nu på SLAC National Accelerator Laboratory.
efter den mislykkede tændingskampagne øgede NIF-forskere deres diagnostiske instrumenter. De tilføjede flere neutrondetektorer for at give dem et 3D-billede af, hvor fusionsreaktionerne skete. De tilpassede også fire af deres laserstråler til at producere højeffekt, ultrashort pulser øjeblikke efter implosionen for at fordampe tynde ledninger tæt på målet. Ledningerne fungerer som en røntgen-flashbulb, der er i stand til at sonde brændstoffet, når det komprimerer. “Det er som en KATTESCANNING,” siger planetforsker Raymond Jeanlose fra University of California, Berkeley, der bruger NIF til at replikere trykket i kernen af gigantiske planeter som Jupiter. 10% af NIF-skud er afsat til grundlæggende videnskab.)
med deres skarpere vision har forskere sporet energilækager fra den imploderende brændstofpellet. Den ene kom på det punkt, hvor et lille rør injicerede brændstof i kapslen før skuddet. For at tilslutte lækagen gjorde holdet røret endnu tyndere. Andre lækager blev sporet tilbage til kapselens plastskal, så forskere moderniserede produktionen for at udjævne ufuldkommenheder på kun en milliontedel af en meter. Den forbedrede diagnostik “hjælper virkelig forskerne med at forstå, hvilke forbedringer der kræves”, siger Mingsheng vei fra University of Rochester ‘ s Laboratory for Laser Energetics.
brand ved retssag
National Ignition Facility har lukket ind på fusion tænding—få mere energi ud end går ind—ved at ændre sine laserimpulser og mål. Det er endnu tættere på de temperaturer og tryk, der er nødvendige for et mellemliggende mål: et selvopvarmende “brændende plasma.”
holdet har også spillet med formen af 20-nanosekund laserimpulser. Tidlige skud steg langsomt op for at undgå at opvarme brændstoffet for hurtigt og gøre det sværere at komprimere. Senere pulser steg mere aggressivt op, så plastkapslen havde mindre tid til at blande sig med brændstoffet under kompression, en taktik, der øgede udbyttet noget.
i den aktuelle kampagne, der blev påbegyndt i 2017, øger forskerne temperaturerne ved at forstørre hohlraum og kapslen med op til 20%, hvilket øger røntgenenergien kapslen kan absorbere. For at øge trykket forlænger de pulsens varighed og skifter fra plastkapsler til tættere diamant for at komprimere brændstoffet mere effektivt.
NIF har gentagne gange opnået udbytter, der nærmer sig 60 kJ. Men Herrmann siger, at et nyligt skud, der blev diskuteret på American Physical Society ‘ s Division of Plasma Physics-møde tidligere i denne måned, har overskredet det. Gentagelsesskud er planlagt for at måle, hvor tæt de kom på et brændende plasma, som forventes at forekomme omkring 100 kJ. “Det er ret spændende,” siger han.
selv ved maksimal kompression mener NIF-forskerne, at kun selve midten af brændstoffet er varmt nok til at smelte sammen. Men i et opmuntrende Fund ser de bevis for, at hot spot får et varmeforøgelse fra frenetisk bevægelige heliumkerner eller alfapartikler, der er skabt af fusionsreaktionerne. Hvis NIF kan pumpe i bare lidt mere energi, bør det udløse en bølge, der vil løbe ud fra hot spot, brændende brændstof som det går.
Herrmann siger, at holdet stadig har et par flere tricks til at prøve—som hver især kan køre temperaturer og tryk til niveauer, der er høje nok til at opretholde brændende plasma og tænding. De tester forskellige hohlraum-former for bedre at fokusere energi på kapslen. De eksperimenterer med dobbeltvæggede kapsler, der kan fange og overføre røntgenenergi mere effektivt. Og ved at blødgøre brændstoffet i et skum i kapslen, snarere end at fryse det som is til kapselvæggene, de håber at danne et bedre centralt hot spot.
vil det være nok til at nå antændelse? Hvis disse trin ikke er tilstrækkelige, ville det være den næste mulighed at øge laserenergien. NIF-forskere har testet opgraderinger på fire af bjælkerne og formået at få et energiboost, der, hvis opgraderingerne blev anvendt på alle bjælkerne, ville bringe hele anlægget tæt på 3 MJ.
disse opgraderinger ville selvfølgelig tage tid og penge NIF kan ikke ende med at få. Fusionsforskere ved NIF og andre steder venter spændt på konklusionerne fra NNSA-gennemgangen. “Hvor langt kan vi komme?”Spørger Herrmann. “Jeg er optimist. Vi skubber NIF så langt vi overhovedet kan.”