mijlpaal voor Laserfusiereactor voor ‘brandend plasma’
in de doelkamer van de nationale Ontstekingsfaciliteit zijn 192 laserstralen gericht op pellets van fusiebrandstof ter grootte van peperkorrels.
Lawrence Livermore National Laboratory
in oktober 2010, in een gebouw ter grootte van drie U. S. voetbalvelden, onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory aangedreven 192 laserstralen, gericht hun energie in een puls met de stoot van een vrachtwagen, en vuurde het op een pellet nucleaire brandstof de grootte van een peperkorrel. Zo begon een campagne van de National Ignition Facility (NIF) om het doel te bereiken waar het naar vernoemd is: het aansteken van een fusiereactie die meer energie produceert dan de laser erin stopt.Een decennium en bijna 3000 shots later genereert NIF nog steeds meer fizz dan bang, gehinderd door het complexe, slecht begrepen gedrag van de laserdoelen wanneer ze verdampen en imploderen. Maar met nieuwe doelontwerpen en laserpulsvormen, samen met betere tools om de miniatuurexplosies te monitoren, geloven NIF-onderzoekers dat ze dicht bij een belangrijke tussentijdse mijlpaal staan die bekend staat als “brandende plasma”: een fusiebrand die wordt ondersteund door de hitte van de reactie zelf in plaats van de input van laserenergie.
zelfverwarming is de sleutel tot het verbranden van alle brandstof en het krijgen van op hol geslagen energiewinst. Zodra NIF de drempel bereikt, simulaties suggereren dat het een gemakkelijker pad naar ontsteking zal hebben, zegt Mark Herrmann, die toezicht houdt op het fusieprogramma van Livermore. “We duwen zo hard als we kunnen,” zegt hij. “Je voelt de versnelling in ons begrip.”Buitenstaanders zijn ook onder de indruk. “Je voelt dat er gestage vooruitgang is en minder giswerk”, zegt Steven Rose, co-directeur van het Centre for Inertial Fusion Studies aan het Imperial College London. “Ze bewegen zich af van ontwerpen die traditioneel worden gehouden en proberen nieuwe dingen.”
NIF heeft echter niet de luxe van tijd. Het aandeel NIF-schoten dat aan de ontstekingsinspanning wordt besteed, is teruggebracht van een piek van bijna 60% in 2012 tot minder dan 30% vandaag om meer schoten te reserveren voor voorraadbeheer—experimenten die nucleaire detonaties simuleren om de betrouwbaarheid van kernkoppen te helpen controleren. Presidentiele budgetverzoeken in de afgelopen jaren hebben herhaaldelijk geprobeerd om onderzoek naar inertiële opsluiting fusie te snijden bij NIF en elders, alleen om het Congres te behouden. NIF ‘ s financier, de National Nuclear Security Administration (NNSA), bekijkt de vooruitgang van de machine voor het eerst in 5 jaar. Onder druk om het nucleaire arsenaal te moderniseren, zou het Agentschap kunnen beslissen over een verdere verschuiving naar voorraadbeheer. “Zal het ontstekingsprogramma worden uitgeperst?”vraagt Mike Dunne, die Livermore’ s fusie-energie-inspanningen van 2010 tot 2014 leidde. “De jury is uit.”
fusie wordt al lang beschouwd als een koolstofvrije energiebron, gevoed door gemakkelijk beschikbare isotopen van waterstof en produceert geen langlevend radioactief afval. Maar het blijft een verre droom, zelfs voor de langzaam brandende, donutvormige magnetische ovens zoals het ITER-project in Frankrijk, dat tot doel heeft ergens na 2035 energie te winnen.
NIF en andere traagheidsfusieapparaten zouden minder op een oven lijken en meer op een verbrandingsmotor, die energie produceert door snelle brandexplosies van de kleinere brandstofpellets. Terwijl sommige fusielasers hun stralen rechtstreeks op de pellets richten, zijn NIF ‘ s schoten indirect.: De stralen verwarmen een goud kan ter grootte van een potlood gum genaamd een hohlraum, die een puls van röntgenstralen bedoeld om fusie te ontsteken door het verwarmen van de brandstof capsule in het centrum tot tientallen miljoenen graden en comprimeren tot miljarden atmosferen uitzendt.
maar schoten in de eerste drie jaar van de ontstekingscampagne leverden slechts ongeveer 1 kilojoule (kJ) Energie per stuk, kort van de 21 kJ die door de röntgenpuls in de capsule werd gepompt en ver van de 1,8 megajoule (MJ) in de oorspronkelijke laserpuls. Siegfried Glenzer, die de eerste campagne leidde, zegt dat het team was “overdreven ambitieus” over het bereiken van ontsteking. “We waren te afhankelijk van simulaties”, zegt Glenzer, nu bij het SLAC National Accelerator Laboratory.
na de mislukte ontstekingscampagne hebben NIF-onderzoekers hun diagnostische instrumenten versterkt. Ze voegden meer neutronendetectors toe om hen een 3D beeld te geven van waar de fusiereacties plaatsvonden. Ze pasten ook vier van hun laserstralen aan om zeer krachtige, ultrakorte pulsen te produceren vlak na de implosie om dunne draden dicht bij het doel te verdampen. De draden fungeren als een X-ray flitslamp, in staat om de brandstof te sonderen als het comprimeert. “Het is als een CAT-scan”, zegt planetair wetenschapper Raymond Jeanloz van de Universiteit van Californië, Berkeley, die NIF gebruikt om de druk in de kern van gigantische planeten zoals Jupiter te repliceren. (Ongeveer 10% van de NIF-shots zijn gewijd aan de basiswetenschap.)
met hun scherper zicht hebben onderzoekers energielekken van de imploderende brandstofpellet opgespoord. Eén kwam op het punt waar een klein buisje brandstof injecteerde in de capsule voor het schot. Om het lek te dichten, maakte het team de buis nog dunner. Andere lekken werden teruggevoerd naar de plastic omhulsel van de capsule, dus onderzoekers vernieuwde productie om onvolkomenheden van slechts een miljoenste van een meter glad te strijken. De verbeterde diagnostiek “helpt de wetenschappers echt om te begrijpen welke verbeteringen nodig zijn,” zegt Mingsheng Wei van het laboratorium voor Laser energetica van de Universiteit van Rochester.
brand door proef
de National Ignition Facility is gesloten op fusie-ontsteking—het verkrijgen van meer energie uit dan gaat in—door het wijzigen van de laserpulsen en doelen. Het is nog dichter bij de temperaturen en drukken die nodig zijn voor een tussendoel: een zelfverhitting “brandend plasma.”
het team heeft ook gespeeld met de vorm van de 20-nanoseconde laserpulsen. Vroege schoten verholpen in de macht langzaam, om te voorkomen dat het verwarmen van de brandstof te snel en waardoor het moeilijker te comprimeren. Later pulsen opgevoerd agressiever, zodat de plastic capsule had minder tijd om te mengen met de brandstof tijdens compressie, een tactiek die de opbrengst enigszins versterkt.
in de huidige campagne, die in 2017 is gestart, verhogen onderzoekers de temperatuur door het hohlraum en de capsule met maximaal 20% te vergroten, waardoor de röntgenenergie die de capsule kan absorberen, toeneemt. Om de druk te verhogen, verlengen ze de duur van de puls en schakelen ze van plastic capsules naar dichtere diamanten om de brandstof efficiënter te comprimeren.
NIF heeft herhaaldelijk opbrengsten behaald die de 60 kJ benaderen. Maar Herrmann zegt dat een recente opname, besproken op de American Physical Society ‘ S Division of Plasma Physics meeting eerder deze maand, dat heeft overtroffen. Herhaalde opnamen zijn gepland om te meten hoe dicht ze bij een brandend plasma kwamen, dat naar verwachting rond 100 kJ zal plaatsvinden. “Het is best spannend,” zegt hij.
zelfs bij maximale compressie geloven de NIF-onderzoekers dat alleen het centrum van de brandstof heet genoeg is om te smelten. Maar in een bemoedigende bevinding, zien ze bewijs dat de Hotspot een verhittingsboost krijgt van razend bewegende heliumkernen, of alfadeeltjes, gecreëerd door de fusiereacties. Als NIF net wat meer energie kan pompen, zou het een golf moeten ontsteken die uit de hot spot zal racen, terwijl het brandstof verbrandt.
Herrmann zegt dat het team nog een paar trucs moet uitproberen-die elk temperaturen en druk tot een niveau kunnen brengen dat hoog genoeg is om het brandende plasma en de ontsteking in stand te houden. Ze testen verschillende hohlraumvormen om de energie beter op de capsule te concentreren. Ze experimenteren met dubbelwandige capsules die röntgenenergie efficiënter kunnen opvangen en overbrengen. En door de brandstof in een schuim in de capsule te weken, in plaats van het te bevriezen als ijs aan de capsulewanden, hopen ze een betere centrale hotspot te vormen.
is dat genoeg om de ontsteking te bereiken? Als deze stappen niet volstaan, is het verhogen van de laserenergie de volgende optie. NIF onderzoekers hebben upgrades getest op vier van de beamlines en erin geslaagd om een energie-boost die, als de upgrades werden toegepast op alle balken te krijgen, zou de volledige faciliteit in de buurt van 3 MJ brengen.
deze upgrades zouden natuurlijk tijd kosten en geld dat NIF uiteindelijk niet krijgt. Fusiewetenschappers bij NIF en elders wachten met spanning op de conclusies van de nnsa-evaluatie. “Hoe ver kunnen we komen?”Herrmann vraagt. “Ik ben een optimist. We duwen NIF zo ver als we kunnen.”