reactorul de fuziune cu Laser abordează piatra de hotar ‘plasma arzătoare’
în camera țintă a instalației naționale de aprindere, 192 de fascicule laser sunt concentrate pe pelete de combustibil de fuziune de mărimea boabelor de piper.
Laboratorul Național Lawrence Livermore
în octombrie 2010, într-o clădire de dimensiunea a trei S. U. A. pe terenurile de fotbal, cercetătorii de la Laboratorul Național Lawrence Livermore au alimentat 192 de fascicule laser, și-au concentrat energia într-un puls cu pumnul unui camion cu viteză și l-au tras într-o peletă de combustibil nuclear de mărimea unui boabe de piper. Așa că a început o campanie a facilității naționale de aprindere (NIF) pentru a atinge obiectivul pentru care este numit: aprinderea unei reacții de fuziune care produce mai multă energie decât pune laserul.
un deceniu și aproape 3000 de fotografii mai târziu, NIF generează încă mai mult fizz decât bang, împiedicat de comportamentul complex, prost înțeles al țintelor laser atunci când se vaporizează și implodează. Dar, cu noi modele țintă și forme de impulsuri laser, împreună cu instrumente mai bune pentru monitorizarea exploziilor miniaturale, cercetătorii NIF cred că sunt aproape de o etapă intermediară importantă cunoscută sub numele de „plasmă arzătoare”: o arsură de fuziune susținută de căldura reacției în sine, mai degrabă decât de aportul de energie laser.
autoîncălzirea este cheia pentru arderea întregului combustibil și obținerea unui câștig de energie fugar. Odată ce NIF atinge pragul, simulările sugerează că va avea o cale mai ușoară spre aprindere, spune Mark Herrmann, care supraveghează programul de fuziune Livermore. „Împingem cât de tare putem”, spune el. „Puteți simți accelerația în înțelegerea noastră.”Și cei din afară sunt impresionați. „Simți că există un progres constant și mai puține presupuneri”, spune Steven Rose, co-director al Centrului pentru studii de fuziune inerțială de la Imperial College din Londra. „Se îndepărtează de proiectele deținute în mod tradițional și încearcă lucruri noi.”
NIF nu poate avea luxul de timp, cu toate acestea. Proporția de fotografii NIF dedicate efortului de aprindere a fost redusă de la un nivel ridicat de aproape 60% în 2012 la mai puțin de 30% astăzi pentru a rezerva mai multe fotografii pentru gestionarea stocurilor—experimente care simulează detonările nucleare pentru a ajuta la verificarea fiabilității focoaselor. Cererile bugetare prezidențiale din ultimii ani au încercat în mod repetat să reducă cercetarea fuziunii inerțiale la NIF și în alte părți, doar pentru ca Congresul să o păstreze. Finanțatorul NIF, Administrația Națională pentru Securitate Nucleară (NNSA), revizuiește progresul mașinii pentru prima dată în 5 ani. Sub presiunea modernizării arsenalului nuclear, agenția ar putea decide o nouă schimbare către gestionarea stocurilor. „Programul de aprindere va fi stors?”întreabă Mike Dunne, care a regizat eforturile de energie de fuziune ale Livermore din 2010 până în 2014. „Juriul a ieșit.”
fuziunea a fost mult timp susținută ca o sursă de energie fără carbon, alimentată de izotopi de hidrogen ușor disponibili și care nu produce deșeuri radioactive de lungă durată. Dar rămâne un vis îndepărtat, chiar și pentru cuptoarele magnetice cu ardere lentă, în formă de gogoașă, precum proiectul ITER din Franța, care își propune să obțină un câștig de energie cândva după 2035.
NIF și alte dispozitive de fuziune inerțială ar fi mai puțin ca un cuptor și mai mult ca un motor cu ardere internă, producând energie prin explozii rapide de foc ale peletelor de combustibil diminutive. În timp ce unele lasere de fuziune își îndreaptă fasciculele direct spre pelete, fotografiile lui NIF sunt indirecte: Grinzile încălzesc o cutie de aur de dimensiunea unei radiere de creion numită hohlraum, care emite un puls de raze X menit să aprindă fuziunea prin încălzirea capsulei de combustibil din centrul său la zeci de milioane de grade și comprimarea acesteia la miliarde de atmosfere.
dar fotografiile din primii 3 ani ai campaniei de aprindere au dat doar aproximativ 1 kilojoule (kJ) de energie fiecare, scurt de 21 kJ pompat în capsulă de pulsul cu raze X și mult mai scurt de 1,8 megajouli (MJ) în pulsul laser original. Siegfried Glenzer, care a condus campania inițială, spune că echipa a fost „prea ambițioasă” în ceea ce privește atingerea aprinderii. „Ne bazam prea mult pe simulări”, spune Glenzer, acum la laboratorul național de Accelerator SLAC.
după campania de aprindere eșuată, cercetătorii NIF și-au îmbunătățit instrumentele de diagnosticare. Ei au adăugat mai mulți detectori de neutroni pentru a le oferi o imagine 3D a locului în care au avut loc reacțiile de fuziune. De asemenea, au adaptat patru dintre fasciculele lor laser pentru a produce impulsuri de mare putere, ultrascurte, la câteva momente după implozie, pentru a vaporiza firele subțiri aproape de țintă. Firele acționează ca un bec cu raze X, capabil să sondeze combustibilul pe măsură ce se comprimă. „Este ca o scanare CAT”, spune omul de știință planetar Raymond Jeanloz de la Universitatea din California, Berkeley, care folosește NIF pentru a reproduce presiunile din Centrul planetelor uriașe, cum ar fi Jupiter. (Aproximativ 10% din fotografiile NIF sunt dedicate științei de bază.)
cu viziunea lor mai clară, cercetătorii au urmărit scurgerile de energie din peletele de combustibil care implodează. Unul a venit în punctul în care un tub mic a injectat combustibil în capsulă înainte de împușcare. Pentru a conecta scurgerea, echipa a făcut tubul și mai subțire. Alte scurgeri au fost urmărite înapoi la carcasa de plastic a capsulei, astfel încât cercetătorii au restructurat producția pentru a netezi imperfecțiunile de doar o milionime de metru. Diagnosticul îmbunătățit „îi ajută cu adevărat pe oamenii de știință să înțeleagă ce îmbunătățiri sunt necesare”, spune Mingsheng Wei de la laboratorul de energie Laser al Universității din Rochester.
Fire by trial
instalația Națională de aprindere a închis aprinderea prin fuziune—obținând mai multă energie decât intră—prin modificarea impulsurilor și țintelor laser. Este chiar mai aproape de temperaturile și presiunile necesare pentru un obiectiv intermediar: o „plasmă arzătoare” cu autoîncălzire.”
echipa a jucat, de asemenea, cu forma impulsurilor laser de 20 de nanosecunde. Primele fotografii au crescut încet la putere, pentru a evita încălzirea combustibilului prea repede și îngreunarea comprimării. Impulsurile ulterioare s-au intensificat mai agresiv, astfel încât capsula de plastic a avut mai puțin timp să se amestece cu combustibilul în timpul compresiei, o tactică care a sporit oarecum randamentele.
în campania actuală, începută în 2017, cercetătorii cresc temperaturile prin mărirea hohlraumului și a capsulei cu până la 20%, crescând energia cu raze X pe care capsula o poate absorbi. Pentru a crește presiunea, prelungesc durata pulsului și trec de la capsule de plastic la cele cu diamante mai dense pentru a comprima combustibilul mai eficient.
NIF a obținut în mod repetat randamente care se apropie de 60 kJ. Dar Herrmann spune că o lovitură recentă, discutată la reuniunea diviziei de fizică a plasmei a Societății Americane de Fizică la începutul acestei luni, a depășit acest lucru. Fotografiile repetate sunt planificate pentru a măsura cât de aproape au ajuns de o plasmă arzătoare, care se estimează că va avea loc în jur de 100 kJ. „Este destul de interesant”, spune el.
chiar și la compresie maximă, cercetătorii NIF cred că doar centrul combustibilului este suficient de fierbinte pentru a fuziona. Dar într-o constatare încurajatoare, ei văd dovezi că punctul fierbinte primește un impuls de încălzire de la nucleele de heliu în mișcare frenetică sau particulele alfa, create de reacțiile de fuziune. Dacă NIF poate pompa doar un pic mai multă energie, ar trebui să declanșeze un val care va ieși din punctul fierbinte, arzând combustibil pe măsură ce merge.
Herrmann spune că echipa mai are câteva trucuri de încercat—fiecare dintre acestea ar putea conduce temperaturile și presiunile la niveluri suficient de ridicate pentru a susține arderea plasmei și aprinderea. Ei testează diferite forme de hohlraum pentru a concentra mai bine energia pe capsulă. Ei experimentează cu capsule cu pereți dubli care ar putea capta și transfera energia cu raze X mai eficient. Și prin înmuierea combustibilului într-o spumă din interiorul capsulei, în loc să-l înghețe ca gheață pe pereții capsulei, ei speră să formeze un punct fierbinte central mai bun.
va fi suficient pentru a ajunge la aprindere? Dacă acești pași nu sunt suficienți, creșterea energiei laserului ar fi următoarea opțiune. Cercetătorii NIF au testat upgrade-uri pe patru dintre liniile de fascicul și au reușit să obțină un impuls energetic care, dacă actualizările ar fi aplicate tuturor grinzilor, ar aduce instalația completă aproape de 3 MJ.
aceste upgrade-uri ar lua, desigur, timp și bani NIF nu poate ajunge obtinerea. Oamenii de știință de fuziune de la NIF și din alte părți așteaptă cu nerăbdare concluziile revizuirii NNSA. „Cât de departe putem ajunge?”Întreabă Herrmann. „Sunt optimist. Vom împinge NIF cât de departe putem.”