V cílové komoře zařízení National Ignition Facility je 192 laserových paprsků zaměřeno na pelety fúzního paliva velikosti zrnka pepře.
Lawrence Livermore National Laboratory
V říjnu 2010 v budově o velikosti tří amerických fotbalových hřišť vědci z Lawrence Livermore National Laboratory zapnuli 192 laserových paprsků, soustředili jejich energii do impulzu s razancí rozjetého náklaďáku a vystřelili jej na pelety jaderného paliva o velikosti zrnka pepře. Tak začala kampaň zařízení National Ignition Facility (NIF) za dosažení cíle, podle kterého je pojmenováno: zažehnutí fúzní reakce, která vyprodukuje více energie, než kolik do ní vloží laser.
O deset let a téměř 3000 výstřelů později NIF stále generuje více šumění než výbuchu, což je ztíženo složitým a nedostatečně pochopeným chováním laserových terčů při jejich odpařování a implozi. Ale díky novým konstrukcím terčů a tvarům laserových pulzů spolu s lepšími nástroji pro monitorování miniaturních explozí se výzkumníci NIF domnívají, že jsou blízko důležitému mezistupni známému jako „hořící plazma“: fúzní hoření udržované teplem samotné reakce spíše než přívodem laserové energie.
Samovolné zahřívání je klíčem ke spálení veškerého paliva a dosažení rychlého zisku energie. Jakmile NIF dosáhne prahové hodnoty, simulace naznačují, že bude mít snazší cestu k zapálení, říká Mark Herrmann, který dohlíží na livermorský fúzní program. „Tlačíme na pilu, jak jen to jde,“ říká. „V našem chápání je cítit zrychlení.“ I lidé zvenčí jsou ohromeni. „Je cítit stálý pokrok a méně dohadů,“ říká Steven Rose, spoluředitel Centra pro studium inerciální fúze na Imperial College London. „Odklánějí se od tradičních návrhů a zkoušejí nové věci.“
NIF však nemusí mít luxus času. Podíl záběrů NIF věnovaných snaze o zážeh byl snížen z vysokých téměř 60 % v roce 2012 na méně než 30 % v současnosti, aby bylo vyhrazeno více záběrů pro stockpile stewardship – experimenty, které simulují jaderné detonace, aby pomohly ověřit spolehlivost bojových hlavic. Prezidentské žádosti o rozpočet v posledních letech opakovaně usilovaly o omezení výzkumu inerciální fúze v NIF i jinde, jen aby jej Kongres zachoval. Národní úřad pro jadernou bezpečnost (NNSA), který NIF financuje, poprvé po pěti letech přezkoumává pokrok zařízení. Pod tlakem na modernizaci jaderného arzenálu by agentura mohla rozhodnout o dalším posunu směrem ke správě zásob. „Bude program zapalování vytlačen?“ ptá se Mike Dunne, který v letech 2010 až 2014 řídil úsilí Livermore v oblasti fúzní energie. „To je zatím ve hvězdách.“
Fúze byla dlouho považována za bezuhlíkový zdroj energie, který je poháněn snadno dostupnými izotopy vodíku a neprodukuje žádný dlouhodobý radioaktivní odpad. Zůstává však vzdáleným snem, a to i pro pomalu hořící magnetické pece ve tvaru koblihy, jako je projekt ITER ve Francii, jehož cílem je dosáhnout energetického zisku někdy po roce 2035.
NIF a další zařízení pro inerciální fúzi by se méně podobala peci a více spalovacímu motoru, který by vyráběl energii rychlými výbuchy miniaturních palivových pelet. Zatímco některé fúzní lasery míří svými paprsky přímo na pelety, výstřely NIF jsou nepřímé: paprsky zahřívají zlatou plechovku o velikosti gumy na tužky zvanou hohlraum, která vysílá puls rentgenového záření určeného k zažehnutí fúze zahřátím palivové kapsle v jejím středu na desítky milionů stupňů a jejím stlačením na miliardy atmosfér.
Výstřely v prvních třech letech zapalovací kampaně však přinesly každý jen asi 1 kilojoule (kJ) energie, což je méně než 21 kJ, které do kapsle napumpoval rentgenový puls, a mnohem méně než 1,8 megajoulu (MJ) v původním laserovém pulsu. Siegfried Glenzer, který vedl počáteční kampaň, říká, že tým byl „příliš ambiciózní“, pokud jde o dosažení zážehu. „Příliš jsme se spoléhali na simulace,“ říká Glenzer, který nyní pracuje v Národní laboratoři urychlovačů SLAC.
Po neúspěšné zážehové kampani výzkumníci NIF posílili své diagnostické přístroje. Přidali další detektory neutronů, aby měli 3D přehled o tom, kde probíhají fúzní reakce. Upravili také čtyři laserové paprsky tak, aby chvíli po implozi vytvářely vysoce výkonné, ultrakrátké pulzy a odpařovaly tak tenké dráty v blízkosti terče. Drátky fungují jako rentgenové záblesky, které mohou zkoumat palivo při jeho stlačování. „Je to jako počítačová tomografie,“ říká planetární vědec Raymond Jeanloz z Kalifornské univerzity v Berkeley, který používá NIF k replikaci tlaků v jádru obřích planet, jako je Jupiter. (Přibližně 10 % záběrů NIF je věnováno základním vědám.)
Díky ostřejšímu vidění vědci vystopovali úniky energie z implodující palivové pelety. Jeden z nich se objevil v místě, kde malá trubička vstřikovala palivo do kapsle před výstřelem. Aby tým únik ucpal, vyrobil trubičku ještě tenčí. Další úniky byly vysledovány v plastovém plášti kapsle, takže výzkumníci přepracovali výrobu, aby vyhladili nedokonalosti o velikosti pouhé miliontiny metru. Zlepšená diagnostika „skutečně pomáhá vědcům pochopit, jaká zlepšení jsou nutná,“ říká Mingsheng Wei z Laboratoře laserové energetiky Rochesterské univerzity.
Zapalování pokusem
Národní zapalovací zařízení se přiblížilo k fúznímu zapalování – získává více energie ven než dovnitř – tím, že změnilo své laserové pulzy a terče. Přiblížilo se tak ještě více k teplotám a tlakům potřebným pro dosažení přechodného cíle: samoohřevu „hořícího plazmatu“
Tým si také pohrál s tvarem 20nanosekundových laserových pulzů. První záběry zvyšovaly výkon pomalu, aby se palivo nezahřálo příliš rychle a neztížilo se jeho stlačování. Pozdější pulzy se zvyšovaly agresivněji, takže plastová kapsle měla méně času na promíchání s palivem během stlačování, což byla taktika, která poněkud zvýšila výtěžnost.
V současné kampani, zahájené v roce 2017, vědci zvyšují teplotu zvětšením hoholraumu a kapsle až o 20 %, čímž se zvyšuje energie rentgenového záření, kterou může kapsle absorbovat. Aby zvýšili tlak, prodlužují dobu trvání pulzu a přecházejí z plastových kapslí na hustší diamantové, aby se palivo stlačilo efektivněji.
NIF opakovaně dosáhl výtěžků blížících se 60 kJ. Herrmann však říká, že nedávný výstřel, o kterém se tento měsíc diskutovalo na zasedání Divize fyziky plazmatu Americké fyzikální společnosti, tuto hodnotu překonal. Plánuje se opakování záběrů, aby se zjistilo, jak blízko se dostali k hořícímu plazmatu, které by se mělo objevit kolem 100 kJ. „Je to docela vzrušující,“ říká.“
Vědci z NIF se domnívají, že i při maximální kompresi je pouze samotný střed paliva dostatečně horký na to, aby došlo k fúzi. V povzbudivém zjištění však vidí důkaz, že horké místo dostává přídavek tepla od freneticky se pohybujících jader helia neboli částic alfa, které vznikají při fúzních reakcích. Pokud NIF dokáže dodat jen o trochu více energie, mělo by to vyvolat vlnu, která se bude řítit ven z horké skvrny a při tom spalovat palivo.
Herrmann říká, že tým musí vyzkoušet ještě několik dalších triků – každý z nich by mohl zvýšit teploty a tlaky na úroveň dostatečně vysokou k udržení hořícího plazmatu a vznícení. Testují různé tvary hoholraumu, aby lépe soustředili energii na kapsli. Experimentují s kapslemi s dvojitou stěnou, které by mohly účinněji zachycovat a přenášet rentgenovou energii. A doufají, že nasáknutím paliva do pěny uvnitř kapsle, namísto jeho přimrznutí ve formě ledu ke stěnám kapsle, se jim podaří lépe vytvořit centrální horký bod.
Bude to stačit k dosažení vznícení? Pokud tyto kroky nebudou stačit, další možností by bylo zvýšení energie laseru. Výzkumníci NIF vyzkoušeli vylepšení na čtyřech svazcích a podařilo se jim dosáhnout zvýšení energie, které by v případě, že by se vylepšení použilo na všechny svazky, přiblížilo celé zařízení k hodnotě 3 MJ.
Tato vylepšení by samozřejmě vyžadovala čas a peníze, které NIF nakonec nemusí získat. Vědci zabývající se jadernou fúzí v NIF i jinde netrpělivě čekají na závěry přezkumu NNSA. „Jak daleko se můžeme dostat?“ Herrmann se ptá. „Jsem optimista. Posuneme NIF tak daleko, jak to jen půjde.“
.