Ο αντιδραστήρας σύντηξης λέιζερ πλησιάζει το «ορόσημο της καύσης πλάσματος».
Τον Οκτώβριο του 2010, σε ένα κτίριο μεγέθους τριών γηπέδων ποδοσφαίρου των ΗΠΑ, ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore ενεργοποίησαν 192 ακτίνες λέιζερ, εστίασαν την ενέργειά τους σε έναν παλμό με τη γροθιά ενός φορτηγού που έτρεχε ταχύτητα και τον πυροβόλησαν σε ένα σφαιρίδιο πυρηνικής ενέργειας. καύσιμο στο μέγεθος ενός κόκκου πιπεριού. Έτσι ξεκίνησε μια εκστρατεία από το National Ignition Facility (NIF) για την επίτευξη του στόχου για τον οποίο ονομάστηκε:ανάφλεξη μιας αντίδρασης σύντηξης που παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι το λέιζερ.
Μια δεκαετία και σχεδόν 3000 βολές αργότερα, το NIF εξακολουθεί να παράγει περισσότερο αφρισμό παρά μπαμ, που εμποδίζεται από την περίπλοκη, κακώς κατανοητή συμπεριφορά των στόχων λέιζερ όταν εξατμίζονται και εκρήγνυνται. Αλλά με νέα σχέδια στόχων και σχήματα παλμών λέιζερ, μαζί με καλύτερα εργαλεία για την παρακολούθηση των μικροσκοπικών εκρήξεων, οι ερευνητές του NIF πιστεύουν ότι βρίσκονται κοντά σε ένα σημαντικό ενδιάμεσο ορόσημο γνωστό ως «καύση πλάσματος»:ένα έγκαυμα σύντηξης που υφίσταται μάλλον από τη θερμότητα της ίδιας της αντίδρασης από την εισροή ενέργειας λέιζερ.
Η αυτοθέρμανση είναι το κλειδί για την καύση όλου του καυσίμου και την απόκτηση απρόσμενου ενεργειακού κέρδους. Μόλις το NIF φτάσει στο κατώφλι, οι προσομοιώσεις υποδηλώνουν ότι θα έχει μια ευκολότερη διαδρομή προς την ανάφλεξη, λέει ο Mark Herrmann, ο οποίος επιβλέπει το πρόγραμμα σύντηξης του Livermore. «Πιέζουμε όσο πιο δυνατά μπορούμε», λέει. "Μπορείτε να νιώσετε την επιτάχυνση στην κατανόησή μας." Οι ξένοι είναι επίσης εντυπωσιασμένοι. «Νιώθεις ότι υπάρχει σταθερή πρόοδος και λιγότερες εικασίες», λέει ο Στίβεν Ρόουζ, συνδιευθυντής του Κέντρου Μελετών Αδρανειακής Σύντηξης στο Imperial College του Λονδίνου. "Απομακρύνονται από τα σχέδια που παραδοσιακά διατηρούνται και δοκιμάζουν νέα πράγματα."
Ωστόσο, το NIF μπορεί να μην έχει την πολυτέλεια του χρόνου. Το ποσοστό των βολών NIF που αφιερώθηκαν στην προσπάθεια ανάφλεξης μειώθηκε από το υψηλό σχεδόν 60% το 2012 σε λιγότερο από 30% σήμερα για να δεσμευτούν περισσότερες βολές για τη διαχείριση αποθεμάτων—πειράματα που προσομοιώνουν πυρηνικές εκρήξεις για να βοηθήσουν στην επαλήθευση της αξιοπιστίας των κεφαλών. Τα αιτήματα προεδρικού προϋπολογισμού τα τελευταία χρόνια προσπάθησαν επανειλημμένα να περικόψουν την έρευνα για τη σύντηξη αδράνειας περιορισμού στο NIF και αλλού, μόνο για να διαφυλάξει το Κογκρέσο. Ο χρηματοδότης της NIF, η Εθνική Διοίκηση Πυρηνικής Ασφάλειας (NNSA), εξετάζει την πρόοδο του μηχανήματος για πρώτη φορά εδώ και 5 χρόνια. Υπό την πίεση να εκσυγχρονίσει το πυρηνικό οπλοστάσιο, ο οργανισμός θα μπορούσε να αποφασίσει για μια περαιτέρω στροφή προς τη διαχείριση των αποθεμάτων. "Θα σβήσει το πρόγραμμα ανάφλεξης;" ρωτά ο Mike Dunne, ο οποίος σκηνοθέτησε τις προσπάθειες fusion Energy του Livermore από το 2010 έως το 2014. "Η κριτική επιτροπή είναι εκτός."
Η σύντηξη έχει διατηρηθεί από καιρό ως πηγή ενέργειας χωρίς άνθρακα, που τροφοδοτείται από άμεσα διαθέσιμα ισότοπα υδρογόνου και δεν παράγει ραδιενεργά απόβλητα μεγάλης διάρκειας ζωής. Ωστόσο, παραμένει ένα μακρινό όνειρο, ακόμη και για τους μαγνητικούς φούρνους σε σχήμα ντόνατς που καίγονται αργά, όπως το έργο ITER στη Γαλλία, το οποίο στοχεύει να κερδίσει ενέργεια λίγο μετά το 2035.
Το NIF και άλλες συσκευές αδρανειακής σύντηξης θα ήταν λιγότερο σαν φούρνος και περισσότερο σαν κινητήρας εσωτερικής καύσης, παράγοντας ενέργεια μέσω εκρήξεων ταχείας πυρκαγιάς των μικροσκοπικών σφαιριδίων καυσίμου. Ενώ ορισμένα λέιζερ σύντηξης στοχεύουν τις ακτίνες τους κατευθείαν στα πέλλετ, οι λήψεις του NIF είναι έμμεσες:Οι ακτίνες θερμαίνουν ένα χρυσό κουτί στο μέγεθος μιας γόμας μολυβιού που ονομάζεται hohlraum, το οποίο εκπέμπει έναν παλμό ακτίνων Χ που προορίζεται να πυροδοτήσει τη σύντηξη θερμαίνοντας την κάψουλα καυσίμου. στο κέντρο του σε δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς και συμπιέζοντάς το σε δισεκατομμύρια ατμόσφαιρες.
Αλλά οι λήψεις στα πρώτα 3 χρόνια της εκστρατείας ανάφλεξης απέδωσαν μόνο περίπου 1 κιλοτζούλ (kJ) ενέργειας το καθένα, λιγότερο από τα 21 kJ που αντλήθηκαν στην κάψουλα από τον παλμό ακτίνων Χ και πολύ λιγότερο από τα 1,8 megajoule (MJ) στο αρχικός παλμός λέιζερ. Ο Siegfried Glenzer, ο οποίος ηγήθηκε της αρχικής εκστρατείας, λέει ότι η ομάδα ήταν «υπερβολικά φιλόδοξη» για να φτάσει στην ανάφλεξη. "Βασιζόμασταν υπερβολικά στις προσομοιώσεις", λέει ο Glenzer, τώρα στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC.
Μετά την αποτυχημένη εκστρατεία ανάφλεξης, οι ερευνητές του NIF ενίσχυσαν τα διαγνωστικά τους όργανα. Πρόσθεσαν περισσότερους ανιχνευτές νετρονίων για να τους δώσουν μια τρισδιάστατη άποψη για το πού συνέβαιναν οι αντιδράσεις σύντηξης. Προσάρμοσαν επίσης τέσσερις από τις ακτίνες λέιζερ τους για να παράγουν υψηλής ισχύος, εξαιρετικά σύντομους παλμούς στιγμές μετά την έκρηξη, προκειμένου να εξατμιστούν λεπτά σύρματα κοντά στον στόχο. Τα καλώδια λειτουργούν ως λαμπτήρας ακτίνων Χ, ικανή να ανιχνεύσει το καύσιμο καθώς συμπιέζεται. "Είναι σαν μια σάρωση CAT", λέει ο πλανητικός επιστήμονας Raymond Jeanloz από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ο οποίος χρησιμοποιεί το NIF για να αναπαράγει τις πιέσεις στον πυρήνα γιγάντιων πλανητών όπως ο Δίας. (Περίπου το 10% των λήψεων NIF είναι αφιερωμένες στη βασική επιστήμη.)
Με το πιο ευκρινές όραμά τους, οι ερευνητές εντόπισαν διαρροές ενέργειας από το εκρηκτικό σφαιρίδιο καυσίμου. Ο ένας ήρθε στο σημείο όπου ένα μικροσκοπικό σωληνάριο έριξε καύσιμο στην κάψουλα πριν από τη λήψη. Για να καλύψει τη διαρροή, η ομάδα έκανε τον σωλήνα ακόμα πιο λεπτό. Άλλες διαρροές εντοπίστηκαν στο πλαστικό κέλυφος της κάψουλας, έτσι οι ερευνητές ανανέωσαν την κατασκευή για να εξομαλύνουν ατέλειες μόλις ενός εκατομμυριοστού του μέτρου. Τα βελτιωμένα διαγνωστικά "βοηθά πραγματικά τους επιστήμονες να κατανοήσουν ποιες βελτιώσεις απαιτούνται", λέει ο Mingsheng Wei από το Εργαστήριο Ενέργειας Λέιζερ του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ.
Ενεργοποίηση με δοκιμή
Η ομάδα έπαιξε επίσης με το σχήμα των παλμών λέιζερ 20 νανοδευτερόλεπτων. Οι πρώτες λήψεις αυξάνονταν αργά στην ισχύ, για να αποφευχθεί η πολύ γρήγορη θέρμανση του καυσίμου και να γίνει πιο δύσκολη η συμπίεση. Αργότερα οι παλμοί αυξήθηκαν πιο επιθετικά, έτσι ώστε η πλαστική κάψουλα να έχει λιγότερο χρόνο να αναμιχθεί με το καύσιμο κατά τη συμπίεση, μια τακτική που αύξησε κάπως τις αποδόσεις.
Στην τρέχουσα εκστρατεία, που ξεκίνησε το 2017, οι ερευνητές ενισχύουν τις θερμοκρασίες διευρύνοντας το hohlraum και την κάψουλα έως και 20%, αυξάνοντας την ενέργεια των ακτίνων Χ που μπορεί να απορροφήσει η κάψουλα. Για να αυξήσουν την πίεση, επεκτείνουν τη διάρκεια του παλμού και αλλάζουν από πλαστικές κάψουλες σε πιο πυκνές διαμαντένιες για να συμπιέσουν το καύσιμο πιο αποτελεσματικά.
Η NIF έχει επανειλημμένα επιτύχει αποδόσεις που πλησιάζουν τα 60 kJ. Αλλά ο Herrmann λέει ότι ένα πρόσφατο πλάνο, που συζητήθηκε στη συνεδρίαση του Τμήματος Φυσικής Πλάσματος της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας νωρίτερα αυτό το μήνα, έχει ξεπεράσει αυτό. Σχεδιάζονται επαναλαμβανόμενες βολές για να μετρήσουν πόσο κοντά έφτασαν σε ένα καιόμενο πλάσμα, το οποίο προβλέπεται να συμβεί γύρω στα 100 kJ. "Είναι αρκετά συναρπαστικό", λέει.
Ακόμη και στη μέγιστη συμπίεση, οι ερευνητές του NIF πιστεύουν ότι μόνο το κέντρο του καυσίμου είναι αρκετά ζεστό για να λιώσει. Αλλά σε ένα ενθαρρυντικό εύρημα, βλέπουν στοιχεία ότι το καυτό σημείο λαμβάνει μια ώθηση θέρμανσης από φρενήρεις κινούμενους πυρήνες ηλίου, ή σωματίδια άλφα, που δημιουργούνται από τις αντιδράσεις σύντηξης. Εάν το NIF μπορεί να αντλήσει λίγο περισσότερη ενέργεια, θα πρέπει να πυροδοτήσει ένα κύμα που θα βγει από το hot spot, καίγοντας καύσιμο όσο πάει.
Ο Herrmann λέει ότι η ομάδα έχει ακόμα μερικά κόλπα να δοκιμάσει - καθένα από τα οποία θα μπορούσε να οδηγήσει τις θερμοκρασίες και τις πιέσεις σε επίπεδα αρκετά υψηλά για να διατηρήσουν την καύση του πλάσματος και την ανάφλεξη. Δοκιμάζουν διαφορετικά σχήματα hohlraum για να εστιάσουν καλύτερα την ενέργεια στην κάψουλα. Πειραματίζονται με κάψουλες διπλού τοιχώματος που θα μπορούσαν να παγιδεύουν και να μεταφέρουν ενέργεια ακτίνων Χ πιο αποτελεσματικά. Και εμποτίζοντας το καύσιμο σε έναν αφρό μέσα στην κάψουλα, αντί να το παγώνουν ως πάγο στα τοιχώματα της κάψουλας, ελπίζουν να σχηματίσουν ένα καλύτερο κεντρικό hot spot.
Θα είναι αρκετό για να φτάσει στην ανάφλεξη; Εάν αυτά τα βήματα δεν επαρκούν, η ενίσχυση της ενέργειας λέιζερ θα ήταν η επόμενη επιλογή. Οι ερευνητές του NIF έχουν δοκιμάσει αναβαθμίσεις σε τέσσερις από τις γραμμές δέσμης και κατάφεραν να λάβουν μια ενεργειακή ώθηση που, εάν οι αναβαθμίσεις εφαρμόζονταν σε όλες τις δέσμες, θα έφερνε την πλήρη εγκατάσταση κοντά στα 3 MJ.
Αυτές οι αναβαθμίσεις θα χρειαστούν, φυσικά, χρόνο και χρήματα, η NIF μπορεί να μην καταλήξει. Οι επιστήμονες της σύντηξης στο NIF και αλλού περιμένουν με αγωνία τα συμπεράσματα της ανασκόπησης του NNSA. «Πόσο μακριά μπορούμε να φτάσουμε;» ρωτάει ο Χέρμαν. "Είμαι αισιόδοξος. Θα πιέσουμε το NIF όσο πιο μακριά μπορούμε."
