Με εκρηκτικό νέο αποτέλεσμα, η προσπάθεια σύντηξης με λέιζερ πλησιάζει στην «ανάφλεξη»

Πριν από περισσότερο από μια δεκαετία, το πιο ενεργητικό λέιζερ στον κόσμο άρχισε να εξαπολύει τις εκρήξεις του σε μικροσκοπικές κάψουλες ισοτόπων υδρογόνου, με τους διαχειριστές να υπόσχονται ότι σύντομα θα έδειχνε μια διαδρομή προς την απεριόριστη ενέργεια σύντηξης. Τώρα, το National Ignition Facility (NIF) έχει κάνει ένα σημαντικό άλμα προς αυτόν τον στόχο. Την περασμένη εβδομάδα, μια βολή λέιζερ πυροδότησε μια έκρηξη σύντηξης από μια κάψουλα καυσίμου μεγέθους πιπεριού που παρήγαγε οκτώ φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι είχε επιτύχει ποτέ η εγκατάσταση:1,35 megajoules (MJ) - περίπου η κινητική ενέργεια ενός αυτοκινήτου που ταξιδεύει με 160 χιλιόμετρα την ώρα . Αυτό ήταν επίσης το 70% της ενέργειας του παλμού λέιζερ που τον πυροδότησε, καθιστώντας τον δελεαστικά κοντά στην «ανάφλεξη»:μια βολή σύντηξης που παράγει περίσσεια ενέργειας.

«Μετά από πολλά χρόνια στο 3% της ανάφλεξης, αυτό είναι εξαιρετικά συναρπαστικό», λέει ο Mark Herrmann, επικεφαλής του προγράμματος σύντηξης στο Lawrence Livermore National Laboratory, το οποίο λειτουργεί το NIF.

Η τελευταία λήψη του NIF «αποδεικνύει ότι μια μικρή ποσότητα ενέργειας, που εκρήγνυται μικρή ποσότητα μάζας, μπορεί να προκαλέσει σύντηξη. Είναι ένα θαυμάσιο αποτέλεσμα για το πεδίο», λέει ο φυσικός Michael Campbell, διευθυντής του Laboratory for Laser Energetics (LLE) στο Πανεπιστήμιο του Rochester.

«Είναι ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα», προσθέτει ο φυσικός πλάσματος Στίβεν Ρόουζ, συνδιευθυντής του Κέντρου Μελετών Αδρανειακής Σύντηξης στο Imperial College του Λονδίνου. «Με έκανε να νιώθω πολύ χαρούμενος. … Αισθάνεται σαν μια σημαντική ανακάλυψη.”

Και δεν είναι πολύ νωρίς, καθώς χρόνια αργής προόδου έχουν εγείρει ερωτήματα σχετικά με το εάν η σύντηξη με λέιζερ έχει πρακτικό μέλλον. Τώρα, σύμφωνα με τον επικεφαλής επιστήμονα του LLE Riccardo Betti, οι ερευνητές πρέπει να ρωτήσουν:«Ποια είναι η μέγιστη απόδοση σύντηξης που μπορείτε να πάρετε από το NIF; Αυτή είναι η πραγματική ερώτηση."

Η σύντηξη, η οποία τροφοδοτεί τα αστέρια, αναγκάζει μικρούς ατομικούς πυρήνες να συγχωνευτούν σε μεγαλύτερους, απελευθερώνοντας μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί στη Γη λόγω της θερμότητας και της πίεσης που απαιτούνται για την ένωση των πυρήνων, η σύντηξη συνεχίζει να προσελκύει επιστημονικό και εμπορικό ενδιαφέρον επειδή υπόσχεται άφθονη ενέργεια, με μικρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Ωστόσο, μεταξύ των πολλών προσεγγίσεων που διερευνώνται, καμία δεν έχει δημιουργήσει ακόμη περισσότερη ενέργεια από αυτή που χρειαζόταν για να προκαλέσει την αντίδραση εξαρχής. Μεγάλοι αντιδραστήρες σε σχήμα ντόνατ που ονομάζονται tokamaks, οι οποίοι χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να εγκλωβίσουν ένα υπερκαυτό πλάσμα για αρκετό καιρό για να θερμάνουν τους πυρήνες σε θερμοκρασίες σύντηξης, είναι εδώ και πολύ καιρό οι πρωτοπόροι για την επίτευξη καθαρού ενεργειακού κέρδους. Ωστόσο, το γιγάντιο έργο ITER των 25 δισεκατομμυρίων δολαρίων στη Γαλλία δεν αναμένεται να φτάσει εκεί για περισσότερο από άλλη δεκαετία, αν και οι ιδιωτικές εταιρείες σύντηξης υπόσχονται ταχύτερη πρόοδο.

Η προσέγγιση του NIF, γνωστή ως αδρανειακή σύντηξη περιορισμού, χρησιμοποιεί ένα γιγάντιο λέιζερ που στεγάζεται σε μια εγκατάσταση μεγέθους πολλών γηπέδων ποδοσφαίρου των ΗΠΑ για να παράγει 192 δέσμες που εστιάζονται σε έναν στόχο σε ένα σύντομο, ισχυρό παλμό—1,9 MJ σε περίπου 20 νανοδευτερόλεπτα. Ο στόχος είναι να μπει όσο το δυνατόν περισσότερη από αυτή την ενέργεια στην κάψουλα-στόχο, μια μικροσκοπική σφαίρα γεμάτη με τα ισότοπα υδρογόνου δευτερίου και τριτίου τοποθετημένα μέσα σε έναν κύλινδρο από χρυσό στο μέγεθος μιας γόμας μολυβιού. Ο χρυσός εξατμίζεται, παράγοντας έναν παλμό ακτίνων Χ που καταρρέει την κάψουλα, οδηγώντας το καύσιμο σύντηξης σε μια μικροσκοπική σφαίρα ζεστή και αρκετά πυκνή ώστε να πυροδοτήσει τη σύντηξη. Θεωρητικά, εάν τέτοιες μικροσκοπικές εκρήξεις σύντηξης μπορούσαν να πυροδοτηθούν με ρυθμό περίπου 10 ανά δευτερόλεπτο, ένας σταθμός ηλεκτροπαραγωγής θα μπορούσε να συλλέξει ενέργεια από τα νετρόνια υψηλής ταχύτητας που παράγονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Όταν κυκλοφόρησε το NIF, τα μοντέλα υπολογιστών προέβλεπαν γρήγορη επιτυχία, αλλά οι λήψεις σύντηξης τα πρώτα χρόνια παρήγαγαν μόνο περίπου 1 kilojoule (kJ) το καθένα. Ακολούθησε μια μακρά προσπάθεια για την καλύτερη κατανόηση της φυσικής των εκρήξεων και πέρυσι οι βολές παρήγαγαν 100 kJ. Οι βασικές βελτιώσεις περιελάμβαναν εξομάλυνση μικροσκοπικών προσκρούσεων και κοιλωμάτων στην επιφάνεια της κάψουλας καυσίμου, μείωση του μεγέθους της οπής στην κάψουλα που χρησιμοποιείται για την έγχυση καυσίμου, συρρίκνωση των οπών στον χρυσό κύλινδρο ώστε να διαφεύγει λιγότερη ενέργεια και επέκταση του παλμού λέιζερ για να συνεχίσει να οδηγεί το καύσιμο προς τα μέσα για περισσότερο. Η πρόοδος ήταν απολύτως απαραίτητη, καθώς ο χρηματοδότης του NIF, η Εθνική Διοίκηση Πυρηνικής Ασφάλειας, μείωνε τις βολές αφιερωμένες στην ανάφλεξη προς όφελος της χρήσης των λέιζερ της για άλλα πειράματα που προσομοιώνουν τη λειτουργία των πυρηνικών όπλων.

Νωρίτερα φέτος, συνδυάζοντας αυτές τις βελτιώσεις με διάφορους τρόπους, η ομάδα NIF παρήγαγε αρκετές λήψεις που ξεπερνούσαν τα 100 kJ, συμπεριλαμβανομένου ενός από τα 170 kJ. Αυτό το αποτέλεσμα έδειξε ότι το NIF δημιουργούσε τελικά ένα «φλεγόμενο πλάσμα», στο οποίο οι ίδιες οι αντιδράσεις σύντηξης παρέχουν τη θερμότητα για περισσότερη σύντηξη - μια ανεξέλεγκτη αντίδραση που είναι το κλειδί για τη λήψη υψηλότερων αποδόσεων. Στη συνέχεια, στις 8 Αυγούστου, μια βολή έδωσε το αξιοσημείωτο 1,35 MJ. «Ήταν μια έκπληξη για όλους», λέει ο Herrmann. "Αυτό είναι ένα εντελώς νέο καθεστώς."

Το ποιες ακριβώς βελτιώσεις είχαν τον μεγαλύτερο αντίκτυπο και ποιος συνδυασμός θα οδηγήσει σε μελλοντικά κέρδη θα χρειαστεί λίγος χρόνος για να αποκαλυφθεί, λέει ο Herrmann, επειδή αρκετές τροποποιήθηκαν ταυτόχρονα στην τελευταία λήψη. «Είναι μια πολύ μη γραμμική διαδικασία. Γι' αυτό λέγεται ανάφλεξη:Είναι ένα τρελό πράγμα», λέει. Αλλά, "Αυτό μας δίνει πολύ περισσότερη ενθάρρυνση ότι μπορούμε να πάμε πολύ πιο μακριά."

Ωστόσο, η ομάδα του Herrmann απέχει πολύ από το να σκεφτεί τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης. «Η απόκτηση σύντηξης σε ένα εργαστήριο είναι πραγματικά δύσκολη, η απόκτηση οικονομικής ισχύος σύντηξης είναι ακόμη πιο δύσκολη», λέει ο Campbell. «Λοιπόν, όλοι πρέπει να είμαστε υπομονετικοί». Το κύριο καθήκον της NIF παραμένει να διασφαλίσει ότι το απόθεμα πυρηνικών όπλων των Ηνωμένων Πολιτειών είναι ασφαλές και αξιόπιστο. Η ενέργεια σύντηξης είναι κάτι σαν παράπλευρο. Αλλά το να φτάσουμε στην ανάφλεξη και να είμαστε σε θέση να μελετήσουμε και να προσομοιώσουμε τη διαδικασία θα «ανοίξει επίσης ένα νέο παράθυρο στη διαχείριση», λέει ο Herrmann, επειδή η ανεξέλεγκτη σύντηξη τροφοδοτεί τα πυρηνικά όπλα.

Ο Χέρμαν παραδέχεται ότι, όταν έλαβε ένα μήνυμα την περασμένη εβδομάδα από συναδέλφους του που έλεγαν ότι είχαν ένα «ενδιαφέρον» αποτέλεσμα από την τελευταία λήψη, ανησυχούσε ότι μπορεί να μην πάει καλά με τα όργανα. Όταν αποδείχθηκε ότι δεν ήταν έτσι, «άνοιξα ένα μπουκάλι σαμπάνιας».