Laserfusjonsreaktor nærmer seg ‘brennende plasma’ milepæl
i målkammeret I National Ignition Facility er 192 laserstråler fokusert på pellets av fusjonsbrensel, størrelsen på pepparkorn.
Lawrence Livermore Nasjonale Laboratorium
i oktober 2010, i en bygning på størrelse med tre AMERIKANSKE fotballbaner, forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory drevet opp 192 laserstråler, fokuserte sin energi til en puls med slag av en fartbil, og sparket den på en pellet av atombrensel på størrelse med en pepperkorn. Så begynte en kampanje Fra National Ignition Facility (NIF) for å oppnå målet det er oppkalt etter: antennelse av en fusjonsreaksjon som produserer mer energi enn laseren setter inn.
et tiår og nesten 3000 skudd senere, genererer NIF fortsatt mer fizz enn bang, hindret av den komplekse, dårlig forstått oppførselen til lasermålene når de fordamper og imploderer. Men med nye måldesign og laserpulsformer, sammen med bedre verktøy for å overvåke miniatyreksplosjonene, tror nif-forskere at DE er nær en viktig mellomliggende milepæl kjent som «brennende plasma» : en fusjonsforbrenning opprettholdt av selve reaksjonens varme i stedet for inngangen til laserenergi.
Selvoppvarming er nøkkelen til å brenne opp alt drivstoff og få runaway energi gevinst. Når NIF når terskelen, foreslår simuleringer at det vil ha en lettere vei til tenning, sier Mark Herrmann, som overvåker Livermores fusjonsprogram. «Vi presser så hardt vi kan,» sier han. «Du kan føle akselerasjonen i vår forståelse.»Outsidere er også imponert. «Du føler at det er jevn fremgang og mindre gjetting,» sier Steven Rose, meddirektør For Senter For Inertial Fusion Studies Ved Imperial College London. «De beveger seg bort fra design som tradisjonelt holdes og prøver nye ting.»
NIF har kanskje ikke tidens luksus. Andelen nif-skudd viet til tenningsinnsatsen har blitt kuttet fra en høyde på nesten 60% i 2012 til mindre enn 30% i dag for å reservere flere skudd for lagringsforvaltning—eksperimenter som simulerer kjernefysiske detonasjoner for å verifisere påliteligheten av warheads. Presidentens budsjettforespørsler de siste årene har gjentatte ganger forsøkt å kutte forskning i inertial confinement fusion PÅ NIF og andre steder, bare For Å få Kongressen til å bevare den. NIFS funder, National Nuclear Security Administration (NNSA), vurderer maskinens fremgang for første gang på 5 år. Under press for å modernisere atomvåpenarsenalet, kunne byrået bestemme seg for et ytterligere skifte mot lagerforvaltning. «Vil tenningsprogrammet bli presset ut?»spør Mike Dunne, som regisserte Livermores fusjon energi innsats fra 2010 til 2014. «Juryen er ute.»
Fusjon har lenge vært holdt opp som en karbonfri energikilde, drevet av lett tilgjengelige isotoper av hydrogen og produserer ikke langlivet radioaktivt avfall. Men det er fortsatt en fjern drøm, selv for de sakte brennende, doughnutformede magnetiske ovner som ITER-prosjektet I Frankrike, som har som mål å oppnå energiøkning en gang etter 2035.
NIF og andre treghet fusjon enheter ville være mindre som en ovn og mer som en forbrenningsmotor, produsere energi gjennom rask-brann eksplosjoner av diminutiv drivstoff pellets. Mens noen fusjonslasere retter sine bjelker rett på pellets, er nifs skudd indirekte: Strålene varme en gullkanne på størrelse med en blyant viskelær kalt en hohlraum, som avgir en puls av røntgenstråler som er ment å antennes fusjon ved å varme drivstoffkapselen i midten til titalls millioner grader og komprimere den til milliarder atmosfærer.
men skudd i de første 3 årene av tenningskampanjen ga bare ca 1 kilojoule (kJ) energi hver, kort av 21 kJ pumpet inn i kapselen ved røntgenpulsen og langt kort av 1, 8 megajoules (MJ) i den opprinnelige laserpulsen. Siegfried Glenzer, som ledet den første kampanjen, sier at laget var «altfor ambisiøst» om å nå tenning. «Vi var altfor avhengige av simuleringer,» sier Glenzer, nå PÅ SLAC National Accelerator Laboratory.
Etter den mislykkede tenningskampanjen økte nif-forskere sine diagnostiske instrumenter. De la til flere nøytrondetektorer for Å gi DEM EN 3D-visning av hvor fusjonsreaksjonene skjedde. De har også tilpasset fire av sine laserstråler for å produsere høy effekt, ultrashort pulser øyeblikk etter implosjonen for å fordampe tynne ledninger nær målet. Ledningene fungerer som en røntgenblits, som kan sonde drivstoffet når det komprimerer. «Det er som EN CAT-skanning,» sier planetforsker Raymond Jeanloz Fra University Of California, Berkeley, som bruker NIF til å replikere presset i kjernen av gigantiske planeter som Jupiter. (Omtrent 10% AV nif-skuddene er viet til grunnleggende vitenskap.)
med sin skarpere visjon har forskere sporet energilekkasjer fra den imploderende drivstoffpellet. En kom på det punktet hvor et lite rør injiserte drivstoff i kapselen før skuddet. For å plugge lekkasjen, laget gjorde røret enda tynnere. Andre lekkasjer ble sporet tilbake til kapselens plastskall, slik at forskerne fornyet produksjonen for å jevne ut ufullkommenheter på bare en milliondel av en meter. Den forbedrede diagnostikken «hjelper virkelig forskerne til å forstå hvilke forbedringer som kreves,» sier Mingsheng Wei Fra University Of Rochester ‘ S Laboratory For Laser Energetics.
Brann ved prøve
National Ignition Facility har stengt inn på fusion ignition—får mer energi ut enn går inn—ved å endre laserpulser og mål. Det er enda nærmere temperaturen og trykket som trengs for et mellommål: et selvoppvarmende » brennende plasma.»
laget har også spilt med formen på 20-nanosekund laserpulser. Tidlige skudd trappet opp i kraft sakte, for å unngå oppvarming drivstoff for fort og gjør det vanskeligere å komprimere. Senere pulser trappet opp mer aggressivt slik at plastkapselen hadde mindre tid til å blande med drivstoff under kompresjon, en taktikk som økte gir noe.
i den nåværende kampanjen, startet i 2017, øker forskerne temperaturene ved å forstørre hohlraum og kapselen med opptil 20%, og øker røntgenenergien kapselen kan absorbere. For å øke trykket, utvider de varigheten av pulsen og bytter fra plastkapsler til tettere diamant for å komprimere drivstoffet mer effektivt.
NIF har gjentatte ganger oppnådd utbytter som nærmer seg 60 kJ. Men Herrmann sier at et nylig skudd, diskutert på American Physical Societys Division of Plasma Physics-møte tidligere denne måneden, har overskredet det. Gjentatte skudd er planlagt å måle hvor nær de kom til et brennende plasma, som forventes å skje rundt 100 kJ. «Det er ganske spennende,» sier han.
selv ved maksimal kompresjon tror nif-forskerne at bare sentrum av drivstoffet er varmt nok til å smelte. Men i et oppmuntrende funn ser de bevis på at hot spot får et oppvarmingsforhøyelse fra frenetisk bevegelige heliumkjerner, eller alfa partikler, skapt av fusjonsreaksjonene. Hvis NIF kan pumpe inn litt mer energi, bør DET gnist en bølge som vil rase ut fra hot spot, brenner drivstoff som det går.
Herrmann sier at laget fortsatt har noen flere triks å prøve ut-som hver kan kjøre temperaturer og trykk til nivåer som er høye nok til å opprettholde brennende plasma og tenning. De tester forskjellige hohlraumformer for bedre å fokusere energi på kapselen. De eksperimenterer med dobbeltveggede kapsler som kan fange og overføre røntgenenergi mer effektivt. Og ved å suge drivstoffet inn i et skum i kapselen, i stedet for å fryse det som is til kapselveggene, håper de å danne et bedre sentralt hot spot.
Vil det være nok til å nå tenning? Hvis disse trinnene ikke er nok, øke laser energi ville være neste alternativ. Nif-forskere har testet oppgraderinger på fire av strålelinjene og klarte å få en energiforhøyelse som, hvis oppgraderingene ble brukt på alle bjelkene, ville bringe hele anlegget nær 3 MJ.
disse oppgraderingene vil selvfølgelig ta tid OG penger NIF kan ikke ende opp med å få. Fusjonsforskere VED NIF og andre steder venter spent på konklusjonene FRA nnsa-gjennomgangen. «Hvor langt kan vi komme?»Herrmann spør. «Jeg er optimist. Vi skal presse NIF så langt vi kan.»