Laser fusion reactor approaches 'burning plasma’ milestone
w komorze docelowej National Ignition Facility skupiono 192 wiązki laserowe na granulkach paliwa fuzyjnego wielkości ziaren pieprzu.
Lawrence Livermore National Laboratory
w październiku 2010 roku w budynku wielkości trzech amerykańskich boiska piłkarskie naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory zasilili 192 wiązki laserowe, skupiając swoją energię w impuls uderzeniem pędzącej ciężarówki i wystrzelili ją w kulkę paliwa jądrowego wielkości ziarenka pieprzu. Tak rozpoczęła się kampania National Ignition Facility (NIF), aby osiągnąć cel, dla którego została nazwana: zapalenie reakcji syntezy termojądrowej, która wytwarza więcej energii niż wkłada laser.
dekadę i prawie 3000 strzałów później, NIF nadal generuje więcej fizz niż huk, hamowany przez złożone, słabo poznane zachowanie celów laserowych, gdy odparowują i implodują. Ale dzięki nowym projektom celów i kształtom impulsów laserowych, a także lepszym narzędziom do monitorowania miniaturowych eksplozji, naukowcy z NIF uważają, że są blisko ważnego pośredniego kamienia milowego znanego jako” spalanie plazmy”: spalanie fuzji podtrzymywane przez ciepło samej reakcji, a nie przez energię lasera.
samonagrzewanie jest kluczem do spalenia całego paliwa i uzyskania uciekającego zysku energetycznego. Gdy NIF osiągnie próg, symulacje sugerują, że będzie miał łatwiejszą drogę do zapłonu, mówi Mark Herrmann, który nadzoruje program fuzji Livermore. „Naciskamy tak mocno, jak tylko możemy” – mówi. „Możesz poczuć przyspieszenie w naszym zrozumieniu.”Obcy też są pod wrażeniem. „Czujesz, że jest stały postęp i mniej zgadywania”, mówi Steven Rose, współdyrektor Centre for Inertial Fusion Studies w Imperial College London. „Odchodzą od tradycyjnych projektów i próbują nowych rzeczy.”
NIF może jednak nie mieć luksusu czasu. Odsetek strzałów NIF przeznaczonych na wysiłek zapłonu został zmniejszony z wysokiego poziomu prawie 60% w 2012 roku do mniej niż 30% Dzisiaj, aby zarezerwować więcej strzałów na zarządzanie zapasami-eksperymenty symulujące detonacje jądrowe, aby pomóc zweryfikować niezawodność głowic. Prezydenckie wnioski budżetowe w ostatnich latach wielokrotnie dążyły do cięcia badań nad inercyjną fuzją w NIF i gdzie indziej, tylko po to, aby Kongres ją zachował. Fundator NIF, National Nuclear Security Administration (Nnsa), po raz pierwszy od 5 lat dokonuje przeglądu postępów maszyny. Pod presją modernizacji arsenału jądrowego, Agencja może podjąć decyzję o dalszym przesunięciu w kierunku zarządzania zapasami. „Czy program zapłonu zostanie wyciśnięty?”pyta Mike Dunne, który w latach 2010-2014 kierował pracami Livermore’ s fusion energy. „Jury odpadło.”
fuzja od dawna jest pozbawiona węgla źródłem energii, napędzana łatwo dostępnymi izotopami wodoru i nie wytwarza długowiecznych odpadów radioaktywnych. Pozostaje to jednak odległym marzeniem, nawet w przypadku wolno palących pieców magnetycznych w kształcie pączków, takich jak projekt ITER we Francji, który ma na celu osiągnięcie zysku energetycznego po 2035 roku.
NIF i inne inercyjne urządzenia fuzyjne byłyby mniej podobne do pieca, a bardziej do silnika spalinowego, wytwarzającego energię poprzez gwałtowne wybuchy drobnych granulek paliwa. Podczas gdy niektóre lasery termojądrowe kierują swoje wiązki prosto na granulki, strzały NIF są pośrednie: Promienie ogrzewają złotą puszkę wielkości gumki ołówkowej zwanej hohlraum, która emituje impuls promieniowania rentgenowskiego mający na celu rozpalenie fuzji przez ogrzewanie kapsuły paliwowej w jej centrum do dziesiątek milionów stopni i sprężanie jej do miliardów atmosfer.
ale strzały w pierwszych 3 latach kampanii zapłonu przyniosły tylko około 1 kilodżula (kJ) energii każdy, krótszy od 21 kJ pompowanego do kapsułki przez impuls rentgenowski i znacznie krótszy od 1,8 megadżuli (MJ) w oryginalnym impulsie Laserowym. Siegfried Glenzer, który kierował początkową kampanią, mówi, że zespół był „zbyt ambitny”, jeśli chodzi o dotarcie do ignition. „Byliśmy zbyt zależni od symulacji”, mówi Glenzer, obecnie w SLAC National Accelerator Laboratory.
po nieudanej kampanii zapłonowej naukowcy z NIF ulepszyli swoje instrumenty diagnostyczne. Dodali więcej detektorów neutronów, aby dać im widok 3D, gdzie zachodzą reakcje fuzji. Przystosowali również cztery wiązki laserowe do wytwarzania ultrakrótkich impulsów o dużej mocy tuż po implozji w celu odparowania cienkich drutów w pobliżu celu. Przewody działają jak lampa błyskowa rentgenowska, zdolna do badania paliwa podczas kompresji. „To jak skan CAT”, mówi planetolog Raymond Jeanloz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który używa NIF do replikacji ciśnienia w jądrze olbrzymów, takich jak Jowisz. (Około 10% zdjęć NIF jest poświęconych podstawowej nauce.)
dzięki ostrzejszej wizji naukowcy wytropili wycieki energii z implodującego peletu paliwowego. Jeden z nich pojawił się w momencie, w którym maleńka rurka wtryskiwała paliwo do kapsułki przed strzałem. Aby zatkać wyciek, zespół sprawił, że rura była jeszcze cieńsza. Inne przecieki były związane z plastikową powłoką kapsuły, więc naukowcy przebudowali produkcję, aby wygładzić niedoskonałości zaledwie milionowej części metra. Ulepszona diagnostyka „naprawdę pomaga naukowcom zrozumieć, jakie ulepszenia są wymagane”, mówi Mingsheng Wei z University of Rochester ’ s Laboratory for Laser Energetics.
ogień próbny
National Ignition Facility zamknął się podczas zapłonu termojądrowego—pobierając więcej energii niż trafia—zmieniając impulsy laserowe i cele. Jest jeszcze bliżej temperatury i ciśnień potrzebnych do osiągnięcia pośredniego celu: samonagrzewającej się ” palącej się plazmy.”
zespół grał również z kształtem 20-nanosekundowych impulsów laserowych. Wczesne strzały zwiększały moc powoli, aby uniknąć zbyt szybkiego podgrzewania paliwa i utrudniania kompresji. Później impulsy zwiększały się bardziej agresywnie, tak że plastikowa kapsuła miała mniej czasu na mieszanie się z paliwem podczas kompresji,co nieco zwiększyło wydajność.
w obecnej kampanii, rozpoczętej w 2017 roku, naukowcy zwiększają temperaturę poprzez powiększenie hohlraum i kapsułki nawet o 20%, zwiększając energię promieniowania rentgenowskiego, którą kapsułka może wchłonąć. Aby zwiększyć ciśnienie, wydłużają czas trwania impulsu i zamieniają się z plastikowych kapsułek na gęstsze diamentowe, aby wydajniej kompresować paliwo.
NIF wielokrotnie osiągał plony Zbliżające się do 60 kJ. Ale Herrmann twierdzi, że niedawne ujęcie, omówione na spotkaniu American Physical Society ’ s Division of Plasma Physics na początku tego miesiąca, przekroczyło ten poziom. Planuje się powtarzanie strzałów, aby ocenić, jak blisko są one do płonącej plazmy, która ma wystąpić około 100 kJ. „To bardzo ekscytujące”, mówi.
nawet przy maksymalnym kompresji, naukowcy z NIF uważają, że tylko sam środek paliwa jest wystarczająco gorący, aby się zestawić. Ale w zachęcającym odkryciu, widzą dowody, że gorący punkt otrzymuje impuls cieplny od frenetycznie poruszających się jąder helu lub cząstek alfa, powstałych w wyniku reakcji fuzji. Jeśli NIF może pompować tylko trochę więcej energii, powinien wywołać falę, która będzie ścigać się z gorącego miejsca, spalając paliwo, jak idzie.
Herrmann mówi, że zespół ma jeszcze kilka sztuczek do wypróbowania—z których każda może doprowadzić temperaturę i ciśnienie do poziomu wystarczająco wysokiego, aby utrzymać płonącą plazmę i zapłon. Testują różne kształty hohlraum, aby lepiej skupić energię na kapsułce. Eksperymentują z kapsułami o podwójnych ściankach, które mogą skuteczniej wychwytywać i przenosić energię promieniowania rentgenowskiego. Zanurzając paliwo w pianie w kapsułce, zamiast zamrażać je w postaci lodu na ściankach kapsułki, mają nadzieję stworzyć lepsze Centralne gorące miejsce.
czy to wystarczy, aby dotrzeć do zapłonu? Jeśli te kroki nie wystarczą, zwiększenie energii lasera będzie kolejną opcją. Naukowcy z NIF przetestowali ulepszenia na czterech liniach i zdołali uzyskać impuls energetyczny, który, jeśli ulepszenia zostaną zastosowane do wszystkich wiązek, przyniesie pełny obiekt blisko 3 MJ.
te uaktualnienia oczywiście wymagałyby czasu i pieniędzy. Naukowcy zajmujący się syntezą jądrową z NIF i innych krajów z niecierpliwością oczekują wniosków z przeglądu nnsa. „Jak daleko możemy się dostać?”Herrmann pyta. „Jestem optymistą. Popchniemy NIF tak daleko, jak tylko się da.”