A National Ignition Facility célkamrájában 192 lézersugarat fókuszálnak a borsszemnyi méretű fúziós üzemanyaggranulátumokra.
Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium
2010 októberében a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium kutatói egy három amerikai futballpálya méretű épületben 192 lézersugarat indítottak be, energiájukat egy gyorshajtás erejéig impulzusba fókuszálták, és egy borsszemnyi méretű nukleáris üzemanyaggranulátumra lőtték. Így kezdődött a National Ignition Facility (NIF) kampánya, hogy elérje a célt, amelyről a nevét kapta: olyan fúziós reakciót indítson el, amely több energiát termel, mint amennyit a lézer beletesz.
Egy évtizeddel és közel 3000 lövéssel később a NIF még mindig több sistergést generál, mint robbanást, amit a lézer célpontok bonyolult, kevéssé ismert viselkedése akadályoz, amikor elpárolognak és implodálnak. De az új céltárgykialakításokkal és lézerimpulzusformákkal, valamint a miniatűr robbanások megfigyelésére szolgáló jobb eszközökkel a NIF kutatói úgy vélik, hogy közel vannak egy fontos köztes mérföldkőhöz, amelyet “égő plazmának” neveznek: a fúziós égést maga a reakció hője tartja fenn, nem pedig a lézerenergia bevitele.
Az önmelegítés a kulcs az összes üzemanyag elégetéséhez és az elszabadult energiagyarapodáshoz. Amint a NIF eléri a küszöbértéket, a szimulációk szerint könnyebb út vezet a gyújtáshoz, mondja Mark Herrmann, aki a Livermore fúziós programját felügyeli. “Olyan keményen nyomjuk, ahogy csak tudjuk” – mondja. “Érezhető a gyorsulás a megértésünkben.” A kívülállók is le vannak nyűgözve. “Az ember úgy érzi, hogy folyamatos a fejlődés, és kevesebb a találgatás” – mondja Steven Rose, a londoni Imperial College Inerciális Fúziós Tanulmányok Központjának társigazgatója. “Eltávolodnak a hagyományosan elfogadott tervektől, és új dolgokat próbálnak ki.”
A NIF azonban nem biztos, hogy megengedheti magának az idő luxusát. A NIF gyújtási erőfeszítésekre szánt felvételek arányát a 2012-es közel 60%-os csúcsról mára kevesebb mint 30%-ra csökkentették, hogy több felvétel maradjon a készletgazdálkodásra – olyan kísérletekre, amelyek nukleáris detonációkat szimulálnak a robbanófejek megbízhatóságának ellenőrzése érdekében. Az elnöki költségvetési kérelmek az elmúlt években többször is arra törekedtek, hogy a NIF-en és másutt folyó, inerciális bezártsági fúzióval kapcsolatos kutatásokat csökkentsék, és a kongresszus végül megőrizte azokat. A NIF finanszírozója, a Nemzeti Nukleáris Biztonsági Hivatal (NNSA) 5 év után először vizsgálja felül a gép fejlődését. A nukleáris arzenál modernizálására irányuló nyomás alatt az ügynökség a készletfelügyelet irányába történő további elmozdulás mellett dönthet. “Vajon kiszorul-e a gyújtási program?” – kérdezi Mike Dunne, aki 2010 és 2014 között a Livermore fúziós energiával kapcsolatos erőfeszítéseit irányította. “A zsűri még nem döntött.”
A fúziót régóta szénmentes energiaforrásként tartják számon, amelyet a hidrogén könnyen hozzáférhető izotópjai táplálnak, és nem termel hosszú élettartamú radioaktív hulladékot. De ez egy távoli álom marad, még az olyan lassan égő, fánk alakú mágneses kemencék esetében is, mint a franciaországi ITER projekt, amely valamikor 2035 után szeretné elérni az energia kinyerését.
A NIF és más inerciális fúziós berendezések kevésbé hasonlítanának egy kemencére, inkább egy belső égésű motorra, amely a kicsiny üzemanyaggolyók gyors robbanásával termel energiát. Míg egyes fúziós lézerek egyenesen a pelletekre irányítják a sugarakat, a NIF lövései közvetett módon történnek: a sugarak egy ceruzaradír méretű aranydobozt, az úgynevezett hohlraumot melegítik, amely röntgensugárzásból álló impulzust bocsát ki, amelynek célja a fúzió beindítása azáltal, hogy a közepén lévő üzemanyagkapszulát több tízmillió fokra hevíti és több milliárd atmoszférára tömöríti.
De a gyújtási kampány első 3 évének lövései egyenként csak körülbelül 1 kilojoule (kJ) energiát adtak, ami nem érte el a röntgenimpulzus által a kapszulába pumpált 21 kJ-t, és messze elmaradt az eredeti lézerimpulzusban lévő 1,8 megajoule-tól (MJ). Siegfried Glenzer, aki a kezdeti kampányt vezette, azt mondja, hogy a csapat “túlságosan ambiciózus” volt a gyújtás elérésével kapcsolatban. “Túlságosan a szimulációkra támaszkodtunk” – mondja Glenzer, aki jelenleg a SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratóriumban dolgozik.
A sikertelen gyújtási kampány után a NIF kutatói megerősítették diagnosztikai műszereiket. Több neutrondetektort építettek be, hogy 3D-s képet kapjanak arról, hogy hol zajlanak a fúziós reakciók. Négy lézersugarukat is átalakították, hogy nagy teljesítményű, ultrarövid impulzusokat adjanak ki pillanatokkal az imploszió után, hogy a célponthoz közeli vékony drótokat elpárologtassák. A drótok röntgenvillanásként működnek, és képesek szondázni az üzemanyagot, miközben az összenyomódik. “Olyan ez, mint egy CT-vizsgálat” – mondja Raymond Jeanloz, a berkeley-i Kaliforniai Egyetem bolygókutatója, aki a NIF-et az olyan óriásbolygók magjában uralkodó nyomás reprodukálására használja, mint a Jupiter. (A NIF-felvételek mintegy 10%-át az alapkutatásokra fordítják.)
A kutatók élesebb látásukkal az implodáló üzemanyaggranulátumból származó energiaszivárgások nyomára bukkantak. Az egyik ott keletkezett, ahol egy aprócska cső a lövés előtt üzemanyagot fecskendezett a kapszulába. A szivárgás elzárására a csapat még vékonyabbá tette a csövet. Más szivárgásokat a kapszula műanyag burkolatában találtak, ezért a kutatók átdolgozták a gyártást, hogy kisimítsák a mindössze milliomodméternyi tökéletlenségeket. A jobb diagnosztika “valóban segít a tudósoknak megérteni, hogy milyen fejlesztésekre van szükség” – mondja Mingsheng Wei, a Rochesteri Egyetem Lézerenergetikai Laboratóriumának munkatársa.
Tűz próbaképpen
A Nemzeti Gyújtóberendezés a lézerimpulzusok és a célpontok megváltoztatásával közeledett a fúziós gyújtáshoz – több energiát juttat ki, mint amennyi bejut -. Még közelebb került a köztes célhoz: az önmelegedő “égő plazmához” szükséges hőmérséklethez és nyomáshoz.”
A csapat a 20 nanoszekundumos lézerimpulzusok alakjával is játszott. A korai lövések lassan növelték a teljesítményt, hogy elkerüljék az üzemanyag túl gyors felmelegedését és nehezebbé váljon a tömörítése. A későbbi impulzusok agresszívebben gyorsultak fel, így a műanyag kapszulának kevesebb ideje volt keveredni az üzemanyaggal a tömörítés során, ami némileg növelte a hozamot.
A jelenlegi, 2017-ben megkezdett kampányban a kutatók a hohlraum és a kapszula akár 20%-kal történő megnövelésével növelik a hőmérsékletet, növelve a kapszula által elnyelni képes röntgenenergiát. A nyomás növelése érdekében meghosszabbítják az impulzus időtartamát, és a műanyag kapszulákról sűrűbb gyémántkapszulákra váltanak, hogy hatékonyabban tudják összenyomni az üzemanyagot.
A NIF többször ért el 60 kJ-hoz közeli hozamot. Herrmann szerint azonban egy legutóbbi lövés, amelyet a hónap elején az Amerikai Fizikai Társaság Plazmafizikai Szakosztályának ülésén vitattak meg, ezt meghaladta. A tervek szerint megismétlik a lövéseket, hogy felmérjék, mennyire kerültek közel az égő plazmához, ami az előrejelzések szerint 100 kJ körül következik be. “Ez elég izgalmas” – mondja.
A NIF kutatói úgy vélik, hogy még a maximális tömörítésnél is csak az üzemanyag legközepén van elég meleg a fúzióhoz. Egy bíztató felfedezésükben azonban bizonyítékot látnak arra, hogy a forró pont fűtési lökést kap a fúziós reakciók során keletkező, frenetikusan mozgó héliummagoktól, vagyis alfa-részecskéktől. Ha a NIF csak egy kicsivel több energiát tud pumpálni, akkor egy olyan hullámot kell elindítania, amely a forró pontból kifelé száguld, és közben elégeti az üzemanyagot.
Herrmann szerint a csapatnak még ki kell próbálnia néhány trükköt – ezek mindegyike elég magas hőmérsékletet és nyomást eredményezhet az égő plazma és a gyújtás fenntartásához. Különböző hohlraumformákat tesztelnek, hogy jobban összpontosítsák az energiát a kapszulára. Kísérleteznek duplafalú kapszulákkal, amelyek hatékonyabban tudnák csapdába ejteni és továbbítani a röntgenenergiát. És azzal, hogy az üzemanyagot a kapszulán belüli habba áztatják, ahelyett, hogy jégként a kapszula falához fagyasztanák, remélik, hogy egy jobb központi forró pontot tudnak kialakítani.
Ez elég lesz a gyújtás eléréséhez? Ha ezek a lépések nem elegendőek, a lézerenergia növelése lenne a következő lehetőség. A NIF kutatói négy sugárvonalon tesztelték a fejlesztéseket, és sikerült olyan energiabővítést elérni, amely, ha a fejlesztéseket az összes sugárra alkalmaznák, a teljes létesítményt közel 3 MJ közelébe hozná.
Ezek a fejlesztések természetesen időt és pénzt igényelnének, amit a NIF végül talán nem kap meg. A fúzióval foglalkozó tudósok a NIF-en és máshol is izgatottan várják az NNSA felülvizsgálatának következtetéseit. “Meddig juthatunk?” kérdezi Herrmann. “Én optimista vagyok. Olyan messzire fogjuk vinni a NIF-et, amennyire csak lehet.”