laserfusionsreaktor närmar sig ’brinnande plasma’ milstolpe
i Målkammaren i National Ignition Facility är 192 laserstrålar inriktade på pellets av fusionsbränsle storleken på pepparkorn.
Lawrence Livermore nationella laboratorium
i oktober 2010, i en byggnad storleken på tre USA. fotbollsplaner, forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory drivs upp 192 laserstrålar, fokuserade sin energi i en puls med stansen av en fortkörning lastbil, och sköt den på en pellet av kärnbränsle storleken på en pepparkorn. Så började en kampanj av National Ignition Facility (NIF) för att uppnå det mål det är uppkallat efter: antända en fusionsreaktion som producerar mer energi än lasern sätter in.
ett decennium och nästan 3000 skott senare genererar NIF fortfarande mer fizz än bang, hindras av det komplexa, dåligt förstådda beteendet hos lasermålen när de förångas och imploderar. Men med nya måldesigner och laserpulsformer, tillsammans med bättre verktyg för att övervaka miniatyrexplosionerna, tror NIF-forskare att de ligger nära en viktig mellanliggande milstolpe som kallas ”brinnande plasma”: en fusionsbränning som upprätthålls av reaktionens värme snarare än inmatningen av laserenergi.
självuppvärmning är nyckeln till att bränna upp allt bränsle och få skenande energivinst. När NIF når tröskeln föreslår simuleringar att det kommer att ha en enklare väg till tändning, säger Mark Herrmann, som övervakar Livermores fusionsprogram. ”Vi pressar så hårt vi kan”, säger han. ”Du kan känna accelerationen i vår förståelse.”Utomstående är också imponerade. ”Du känner att det finns stadiga framsteg och mindre gissningar”, säger Steven Rose, meddirektör för Center for Inertial Fusion Studies vid Imperial College London. ”De flyttar sig bort från mönster som traditionellt hålls och försöker nya saker.”
NIF kanske inte har lyxen av tid, dock. Andelen NIF-Skott som ägnas åt tändningsansträngningen har skurits från en hög på nästan 60% 2012 till mindre än 30% idag för att reservera fler skott för lagerförvaltningsexperiment som simulerar kärnvapendetonationer för att hjälpa till att verifiera tillförlitligheten hos warheads. Presidentens budgetförfrågningar de senaste åren har upprepade gånger försökt att skära forskning om tröghetsfängelsefusion vid NIF och på andra håll, bara för att Kongressen ska bevara den. NIF: s finansiär, National Nuclear Security Administration (NNSA), granskar maskinens framsteg för första gången på 5 år. Under press för att modernisera kärnvapenarsenalen kunde byrån besluta om en ytterligare övergång till lagerförvaltning. ”Kommer tändprogrammet att pressas ut?”frågar Mike Dunne, som regisserade Livermores fusionsenergiinsatser från 2010 till 2014. ”Juryn är ute.”
Fusion har länge hållits upp som en kolfri energikälla, som drivs av lättillgängliga isotoper av väte och producerar inget långlivat radioaktivt avfall. Men det är fortfarande en avlägsen dröm, även för de långsamt brinnande, munkformade magnetiska ugnarna som Iter-projektet i Frankrike, som syftar till att uppnå energivinst någon gång efter 2035.
NIF och andra tröghetsfusionsanordningar skulle vara mindre som en ugn och mer som en förbränningsmotor, som producerar energi genom snabba explosioner av de diminutiva bränslepelletsna. Medan vissa fusionslasrar riktar sina strålar rakt mot pelletsna, är NIF: s skott indirekta: Strålarna värmer en guldburk storleken på en penna suddgummi som kallas en hohlraum, som avger en puls av röntgenstrålar som är avsedda att antända fusion genom att värma bränslekapseln i centrum till tiotals miljoner grader och komprimera den till miljarder atmosfärer.
men skott under de första 3 åren av tändningskampanjen gav endast cirka 1 kilojoule (kJ) energi vardera, kort av de 21 kJ som pumpades in i kapseln av röntgenpulsen och långt ifrån 1,8 megajoule (MJ) i den ursprungliga laserpulsen. Siegfried Glenzer, som ledde den första kampanjen, säger att laget var” alltför ambitiöst ” om att nå ignition. ”Vi var alltför beroende av simuleringar”, säger Glenzer, nu på SLAC National Accelerator Laboratory.
efter den misslyckade tändningskampanjen förstärkte NIF-forskare sina diagnostiska instrument. De lade till fler neutrondetektorer för att ge dem en 3D-bild av var fusionsreaktionerna hände. De anpassade också fyra av sina laserstrålar för att producera ultrakorta pulser med hög effekt ögonblick efter implosionen för att förånga tunna ledningar nära målet. Trådarna fungerar som en röntgenblixtlampa, som kan sondra bränslet när det komprimerar. ”Det är som en CAT scan”, säger planetforskaren Raymond Jeanloz från University of California, Berkeley, som använder NIF för att replikera trycket i kärnan av jätteplaneter som Jupiter. (Cirka 10% av NIF-skotten ägnas åt grundvetenskap.)
med sin skarpare syn har forskare spårat energiläckage från den imploderande bränslepelleten. En kom vid den punkt där ett litet rör injicerade bränsle i kapseln före skottet. För att ansluta läckan gjorde laget röret ännu tunnare. Andra läckor spårades tillbaka till kapselns plastskal, så forskare förnyade tillverkningen för att jämna ut brister på bara en miljonedel av en meter. Den förbättrade diagnostiken ”hjälper verkligen forskarna att förstå vilka förbättringar som krävs”, säger Mingsheng Wei från University of Rochesters laboratorium för Laserenergetik.
Brand genom försök
National Ignition Facility har stängt in på fusion ignition—får mer energi ut än går in—genom att ändra sina laserpulser och mål. Det är ännu närmare de temperaturer och tryck som behövs för ett mellanmål: en självuppvärmande ”brinnande plasma.”
laget har också spelat med formen av 20-nanosekund laserpulser. Tidiga skott ramped upp i kraft långsamt, för att undvika att värma bränslet för snabbt och göra det svårare att komprimera. Senare pulser ramped upp mer aggressivt så att plastkapseln hade mindre tid att blanda med bränslet under kompression, en taktik som ökade avkastningen något.
i den aktuella kampanjen, som inleddes 2017, ökar forskare temperaturerna genom att förstora hohlraum och kapseln med upp till 20%, vilket ökar röntgenenergin kapseln kan absorbera. För att öka trycket förlänger de pulsens varaktighet och byter från plastkapslar till tätare diamanter för att komprimera bränslet mer effektivt.
NIF har upprepade gånger uppnått utbyten närmar sig 60 kJ. Men Herrmann säger att ett nyligen skott, diskuterat vid American Physical Society Division of Plasmafysik möte tidigare denna månad, har överskridit det. Upprepade skott planeras för att mäta hur nära de kom till en brinnande plasma, som förutspås inträffa runt 100 kJ. ”Det är ganska spännande”, säger han.
även vid maximal kompression tror NIF-forskarna att endast bränslets centrum är tillräckligt varmt för att smälta. Men i ett uppmuntrande resultat ser de bevis på att hot spot får en uppvärmningsökning från frenetiskt rörliga heliumkärnor, eller alfapartiklar, skapade av fusionsreaktionerna. Om NIF kan pumpa in lite mer energi, borde det gnista en våg som kommer att springa ut från hot spot, bränna bränsle när det går.
Herrmann säger att laget fortfarande har några fler knep att prova—var och en kan driva temperaturer och tryck till nivåer som är tillräckligt höga för att upprätthålla brinnande plasma och tändning. De testar olika hohlraumformer för att bättre fokusera energi på kapseln. De experimenterar med dubbelväggiga kapslar som kan fånga och överföra röntgenenergi mer effektivt. Och genom att blötlägga bränslet i ett skum i kapseln, snarare än att frysa det som is till kapselväggarna, hoppas de kunna bilda en bättre central hot spot.
kommer det att räcka för att nå tändning? Om dessa steg inte räcker, skulle öka laserenergin vara nästa alternativ. NIF-forskare har testat uppgraderingar på fyra av strållinjerna och lyckats få en energiboost som, om uppgraderingarna applicerades på alla balkar, skulle föra hela anläggningen nära 3 MJ.
dessa uppgraderingar skulle naturligtvis ta tid och pengar NIF kanske inte hamnar. Fusionsforskare vid NIF och på andra håll väntar ivrigt på slutsatserna från NNSA-granskningen. ”Hur långt kan vi komma?”Herrmann frågar. ”Jag är optimist. Vi kommer att driva NIF så långt vi kan.”