I målkammeret i National Ignition Facility fokuseres 192 laserstråler på pellets af fusionsbrændsel på størrelse med peberkorn.
Lawrence Livermore National Laboratory
I oktober 2010 satte forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory i en bygning på størrelse med tre amerikanske fodboldbaner 192 laserstråler i gang, fokuserede deres energi til en puls med slagkraft som en lastbil i fart og affyrede den mod en kernebrændselspille på størrelse med et peberkorn. Således begyndte en kampagne fra National Ignition Facility (NIF) for at nå det mål, som den er opkaldt efter: at antænde en fusionsreaktion, der producerer mere energi, end laseren lægger i.
Et årti og næsten 3000 skud senere genererer NIF stadig mere brus end brag, hvilket hæmmes af den komplekse, dårligt forståede opførsel af lasermålene, når de fordamper og imploderer. Men med nye måldesigns og laserimpulsformer samt bedre værktøjer til at overvåge miniatureeksplosionerne mener NIF-forskerne, at de er tæt på en vigtig mellemliggende milepæl, der kaldes “brændende plasma”: en fusionsforbrænding, der opretholdes af selve reaktionsvarmen snarere end af tilførslen af laserenergi.
Selvopvarmning er nøglen til at brænde alt brændstoffet op og få en løbsk energiforøgelse. Når NIF når tærsklen, tyder simuleringer på, at det vil have en lettere vej til antændelse, siger Mark Herrmann, der fører tilsyn med Livermores fusionsprogram. “Vi presser så hårdt, som vi kan,” siger han. “Man kan mærke accelerationen i vores forståelse.” Udenforstående er også imponerede. “Man kan mærke, at der sker stadige fremskridt og færre gætterier”, siger Steven Rose, der er meddirektør for Centre for Inertial Fusion Studies ved Imperial College i London. “De bevæger sig væk fra de traditionelle konstruktioner og prøver nye ting.”
NIF har dog måske ikke den luksus af tid. Andelen af NIF-skud, der er afsat til tændingsarbejdet, er blevet skåret ned fra et højdepunkt på næsten 60 % i 2012 til mindre end 30 % i dag for at reservere flere skud til stockpile stewardship – eksperimenter, der simulerer nukleare detonationer for at hjælpe med at verificere sprænghovedernes pålidelighed. Præsidentens budgetansøgninger har i de seneste år gentagne gange forsøgt at skære ned på forskningen i fusion med inertialindeslutning ved NIF og andre steder, men Kongressen har så bevaret den. NIF’s finansieringsselskab, National Nuclear Security Administration (NNSA), er i gang med at gennemgå maskinens fremskridt for første gang i fem år. Under pres for at modernisere det nukleare arsenal kan agenturet beslutte at foretage et yderligere skift i retning af lagerstyring. “Vil tændingsprogrammet blive presset ud?” spørger Mike Dunne, som ledede Livermores indsats for fusionsenergi fra 2010 til 2014. “Juryen er ude.”
Fusion er længe blevet fremhævet som en kulstoffri energikilde, der drives af let tilgængelige isotoper af brint og ikke producerer langlivet radioaktivt affald. Men det er stadig en fjern drøm, selv for de langsomt brændende, doughnutformede magnetiske ovne som ITER-projektet i Frankrig, der sigter mod at opnå energigennemslag engang efter 2035.
NIF og andre inertielle fusionsenheder ville være mindre som en ovn og mere som en forbrændingsmotor, der producerer energi gennem hurtige eksplosioner af de diminutive brændstofpiller. Mens nogle fusionslasere retter deres stråler direkte mod pellets, er NIF’s skud indirekte: Strålerne opvarmer en gulddåse på størrelse med et blyantgummigummi kaldet et hohlraum, som udsender en puls af røntgenstråler, der skal antænde fusionen ved at opvarme brændstofkapslen i dens centrum til titusindvis af millioner af grader og komprimere den til milliarder af atmosfærer.
Men skuddene i de første tre år af tændingskampagnen gav kun ca. 1 kilojoule (kJ) energi hver, hvilket er mindre end de 21 kJ, der blev pumpet ind i kapslen af røntgenpulsen, og langt mindre end de 1,8 megajoule (MJ) i den oprindelige laserpuls. Siegfried Glenzer, der ledede den oprindelige kampagne, siger, at holdet var “overdrevent ambitiøst” med hensyn til at nå frem til antændelse. “Vi var alt for afhængige af simuleringer”, siger Glenzer, der nu arbejder på SLAC National Accelerator Laboratory.
Efter den mislykkede tændingskampagne styrkede NIF-forskerne deres diagnoseinstrumenter. De tilføjede flere neutrondetektorer for at give dem et 3D-billede af, hvor fusionsreaktionerne fandt sted. De tilpassede også fire af deres laserstråler til at producere kraftige, ultrakorte impulser få øjeblikke efter implosionen for at fordampe tynde ledninger tæt på målet. Trådene fungerer som en røntgenblitzlampe, der kan undersøge brændstoffet, mens det komprimeres. “Det er som en CAT-scanning”, siger planetforsker Raymond Jeanloz fra University of California, Berkeley, som bruger NIF til at genskabe trykket i kernen af kæmpeplaneter som Jupiter. (Omkring 10 % af NIF-optagelserne er afsat til grundforskning.)
Med deres skarpere syn har forskerne opsporet energilækager fra den imploderende brændselspille. Det ene kom på det sted, hvor et lille rør sprøjtede brændstof ind i kapslen før skuddet. For at lukke lækagen har holdet gjort røret endnu tyndere. Andre lækager blev sporet tilbage til kapslens plastikskal, så forskerne ændrede fremstillingen for at udjævne ufuldkommenheder på blot en milliontedel af en meter. Den forbedrede diagnostik “hjælper virkelig forskerne til at forstå, hvilke forbedringer der er nødvendige”, siger Mingsheng Wei fra Rochester-universitetets laboratorium for laserenergi.
Fire by trial
Den nationale tændingsfacilitet har nærmet sig fusionstænding – at få mere energi ud, end der kommer ind – ved at ændre sine laserpulser og mål. Det er endnu tættere på de temperaturer og tryk, der er nødvendige for et mellemliggende mål: et selvopvarmende “brændende plasma”.
Teamet har også leget med formen af de 20-nanosekunders laserpulser. De første skud steg langsomt i effekt for at undgå at opvarme brændstoffet for hurtigt og gøre det sværere at komprimere. Senere pulser rampede mere aggressivt op, så plastikkapslen havde mindre tid til at blande sig med brændstoffet under kompressionen, en taktik, der øgede udbyttet noget.
I den nuværende kampagne, der blev påbegyndt i 2017, øger forskerne temperaturerne ved at forstørre hohlrummet og kapslen med op til 20 %, hvilket øger den røntgenenergi, som kapslen kan absorbere. For at øge trykket forlænger de pulsenes varighed og skifter fra plastikkapsler til tættere diamantkapsler for at komprimere brændstoffet mere effektivt.
NIF har gentagne gange opnået udbytter, der nærmer sig 60 kJ. Men Herrmann siger, at et nyligt skud, som blev drøftet på American Physical Society’s Division of Plasma Physics-møde tidligere på måneden, har overgået dette. Der er planlagt gentagne skud for at måle, hvor tæt de kom på et brændende plasma, som forventes at opstå omkring 100 kJ. “Det er ret spændende,” siger han.
Selv ved maksimal kompression mener NIF-forskerne, at kun centrum af brændstoffet er varmt nok til at fusionere. Men som et opmuntrende resultat ser de tegn på, at det varme punkt får et opvarmningsboost fra frenetisk bevægende heliumkerner, eller alfapartikler, der skabes af fusionsreaktionerne. Hvis NIF kan pumpe bare en smule mere energi ind, skulle det udløse en bølge, der vil løbe ud fra brændpunktet og brænde brændstof på sin vej.
Herrmann siger, at holdet stadig har et par tricks mere at afprøve – hvert af dem kan få temperaturen og trykket op på et niveau, der er højt nok til at opretholde brændende plasma og antændelse. De tester forskellige hohlraumformer for at fokusere energien bedre på kapslen. De eksperimenterer med dobbeltvæggede kapsler, der kan fange og overføre røntgenenergi mere effektivt. Og ved at lade brændstoffet opbløde i et skum i kapslen i stedet for at fryse det som is på kapselvæggene, håber de at kunne danne et bedre centralt hot spot.
Vil det være nok til at opnå antændelse? Hvis disse skridt ikke er tilstrækkelige, vil en forøgelse af laserenergien være den næste mulighed. NIF-forskere har afprøvet opgraderinger på fire af strålelinjerne og formået at få en energiforøgelse, der, hvis opgraderingerne blev anvendt på alle strålerne, ville bringe hele anlægget tæt på 3 MJ.
Disse opgraderinger ville naturligvis tage tid og koste penge, som NIF måske ikke ender med at få. Fusionsforskere ved NIF og andre steder venter spændt på konklusionerne af NNSA’s gennemgang. “Hvor langt kan vi komme?” Herrmann spørger. “Jeg er optimist. Vi vil presse NIF så langt, som vi overhovedet kan.”