Laser reator de fusão abordagens ‘a queima de plasma’ marco
No destino câmara Nacional de Ignição Facilidade, 192 feixes de laser são focados em pelotas de combustível de fusão, o tamanho de pimenta-do-reino.
Lawrence Livermore National Laboratory
Em outubro de 2010, em um prédio do tamanho de três EUA campos de futebol, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore alimentaram 192 feixes de laser, focaram sua energia em um pulso com o soco de um caminhão em alta velocidade, e disparou contra uma cápsula de combustível nuclear do tamanho de uma pimenta. Assim começou uma campanha da National Ignition Facility (NIF) para alcançar o objetivo que é nomeado para: acender uma reação de fusão que produz mais energia do que o laser coloca dentro.
uma década e quase 3000 tiros mais tarde, NIF ainda está gerando mais fizz do que bang, prejudicado pelo comportamento complexo e mal compreendido dos alvos laser quando eles vaporizam e implodem. Mas com novos projetos de alvos e formas de pulsação a laser, juntamente com melhores ferramentas para monitorar as explosões em miniatura, Os pesquisadores da NIF acreditam que eles estão perto de um marco intermediário importante conhecido como “plasma queimado”: uma queimadura de fusão sustentada pelo calor da própria reação, em vez da entrada de energia a laser.
auto-aquecimento é a chave para queimar todo o combustível e obter ganho de energia em fuga. Uma vez que a NIF atinge o limiar, simulações sugerem que terá um caminho mais fácil para a ignição, diz Mark Herrmann, que supervisiona o programa de fusão de Livermore. “Estamos a esforçar-nos o mais que podemos”, diz ele. “Você pode sentir a aceleração em nossa compreensão.”Os forasteiros também estão impressionados. “Você meio que sente que há progresso constante e menos adivinhações”, diz Steven Rose, co-diretor do centro de Estudos de fusão inercial no Imperial College London. “Eles estão se afastando de projetos tradicionalmente mantidos e tentando coisas novas.”
NIF pode não ter o luxo do Tempo, no entanto. A proporção de tiros NIF dedicados ao esforço de ignição foi cortada de um alto de quase 60% em 2012 para menos de 30% hoje para reservar mais tiros para a administração de estoques—experimentos que simulam detonações nucleares para ajudar a verificar a confiabilidade das ogivas. Pedidos do orçamento presidencial nos últimos anos têm repetidamente procurado reduzir a pesquisa sobre a fusão de confinamento inercial na NIF e em outros lugares, apenas para ter o Congresso preservá-la. O financiador da NIF, a National Nuclear Security Administration (NNSA), está revendo o progresso da máquina pela primeira vez em 5 anos. Sob pressão para modernizar o arsenal nuclear, a agência poderia decidir mais uma mudança para a administração de estoques. “O programa de ignição será espremido?”pergunta Mike Dunne, que dirigiu os esforços de energia de fusão de Livermore de 2010 a 2014. “O júri está fora.”
a fusão tem sido mantida como uma fonte de energia livre de carbono, alimentada por isótopos prontamente disponíveis de hidrogênio e não produzindo resíduos radioativos de vida longa. Mas continua a ser um sonho distante, mesmo para os fornos magnéticos em forma de donut lentos, como o projecto ITER em França, que visa alcançar o ganho de energia algum tempo depois de 2035.
NIF e outros dispositivos de fusão inercial seriam menos como um forno e mais como um motor de combustão interna, produzindo energia através de explosões de fogo rápido das pequenas esferas de combustível. Enquanto alguns lasers de fusão apontam seus feixes diretamente para os pellets, os tiros do NIF são indiretos.: Os feixes aquecem um ouro do tamanho de um apagador de lápis chamado hohlraum, que emite um pulso de raios-x destinado a inflamar a fusão aquecendo a cápsula de combustível em seu centro para dezenas de milhões de graus e comprimindo-a a bilhões de atmosferas.
mas os tiros nos primeiros 3 anos da campanha de ignição só renderam cerca de 1 quilojoule (kJ) de energia Cada, a menos dos 21 kJ bombeados para a cápsula pelo pulso de raio-x e muito abaixo dos 1,8 megajoules (MJ) no pulso laser original. Siegfried Glenzer, que liderou a campanha inicial, diz que a equipe era “excessivamente ambiciosa” sobre alcançar a ignição. “Estávamos excessivamente dependentes de simulações”, diz Glenzer, agora no Laboratório Nacional de aceleradores SLAC.
após a campanha de ignição falhada, os investigadores da NIF melhoraram os seus instrumentos de diagnóstico. Eles adicionaram mais Detectores de nêutrons para lhes dar uma visão 3D de onde as reações de fusão estavam acontecendo. Eles também adaptaram quatro de seus feixes laser para produzir alta potência, pulsos ultrasort momentos após a implosão, a fim de vaporizar fios finos perto do alvo. Os fios agem como uma lâmpada de raio-x, capaz de sondar o combustível à medida que comprime. “É como uma Tac”, diz O cientista planetário Raymond Jeanloz da Universidade da Califórnia, Berkeley, que usa NIF para replicar as pressões no núcleo de planetas gigantes como Júpiter. (Cerca de 10% dos shots NIF são dedicados à ciência básica.)
com a sua visão mais nítida, os investigadores detectaram fugas de energia do sedimento de combustível. Um veio no ponto em que um pequeno tubo injectou combustível na cápsula antes do tiro. Para tapar a fuga, a equipa tornou o tubo ainda mais fino. Outros vazamentos foram rastreados até a concha de plástico da cápsula, então pesquisadores renovaram a fabricação para suavizar as imperfeições de apenas um milionésimo de um metro. O diagnóstico melhorado “realmente ajuda os cientistas a entender que melhorias são necessárias”, diz Mingsheng Wei do laboratório da Universidade de Rochester para a Energética Laser.
incêndio no ensaio
a instalação de ignição nacional fechou—se na ignição de fusão—obtendo mais energia do que entra-alterando os seus impulsos e alvos a laser. Está ainda mais próximo das temperaturas e pressões necessárias para um objetivo intermediário: um auto-aquecimento “queimando plasma.”
a equipe também jogou com a forma dos pulsos laser de 20 nanossegundos. Os primeiros tiros aumentaram lentamente no poder, para evitar o aquecimento do combustível muito rapidamente e torná-lo mais difícil de comprimir. Pulsos posteriores aumentaram mais agressivamente de modo que a cápsula de plástico teve menos tempo para se misturar com o combustível durante a compressão, uma tática que impulsionou rendimentos um pouco.
na campanha atual, iniciada em 2017, os pesquisadores estão aumentando as temperaturas aumentando o hohlraum e a cápsula em até 20%, aumentando a energia de raios x que a cápsula pode absorver. Para aumentar a pressão, estão a prolongar a duração do pulso e a mudar de cápsulas de plástico para cápsulas de diamante mais densas para comprimir o combustível de forma mais eficiente.
NIF tem atingido repetidamente rendimentos próximos de 60 kJ. Mas Herrmann diz que um tiro recente, discutido na reunião da Divisão de Física de Plasma da sociedade americana no início deste mês, ultrapassou isso. Tiros repetidos são planejados para medir o quão perto eles chegaram a um plasma em chamas, que é previsto para ocorrer em torno de 100 kJ. “É muito excitante”, diz ele.
mesmo na compressão máxima, os investigadores da NIF acreditam que apenas o centro do combustível é suficientemente quente para se fundir. Mas em uma descoberta encorajadora, eles veem evidências de que o ponto quente está recebendo um impulso de aquecimento de núcleos de hélio freneticamente movidos, ou partículas alfa, criados pelas reações de fusão. Se NIF pode bombear em apenas um pouco mais de energia, ele deve acender uma onda que vai correr para fora do ponto quente, queimando combustível à medida que vai.Herrmann diz que a equipe ainda tem mais alguns truques para experimentar—cada um dos quais poderia levar temperaturas e pressões a níveis altos o suficiente para manter o plasma queimado e ignição. Eles estão testando diferentes formas de hohlraum para melhor focar a energia na cápsula. Estão a fazer experiências com cápsulas de paredes duplas que podem encurralar e transferir energia de raios-x de forma mais eficiente. E ao absorver o combustível em uma espuma dentro da cápsula, ao invés de congelá-lo como gelo para as paredes da cápsula, eles esperam formar um melhor ponto quente central.Será suficiente para chegar à ignição? Se estes passos não forem suficientes, aumentar a energia do laser seria a próxima opção. Pesquisadores da NIF testaram atualizações em quatro das beamlines e conseguiram obter um impulso de energia que, se as atualizações fossem aplicadas a todas as vigas, traria a instalação completa perto de 3 MJ.
essas atualizações, é claro, levaria tempo e dinheiro NIF pode não acabar recebendo. Cientistas da fusão na NIF e em outros lugares estão ansiosamente aguardando as conclusões da revisão da NNSA. “Até onde podemos ir?”Herrmann pergunta. “Sou optimista. Vamos empurrar o NIF o mais que pudermos.”