W komorze docelowej w National Ignition Facility 192 wiązki laserowe są skupiane na granulkach paliwa fuzyjnego wielkości ziarnka pieprzu.
Lawrence Livermore National Laboratory
W październiku 2010 roku, w budynku wielkości trzech boisk do futbolu amerykańskiego, naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory zasilili 192 wiązki laserowe, skupili ich energię w impuls o sile uderzenia pędzącej ciężarówki i wystrzelili go w kierunku granulatu paliwa jądrowego wielkości ziarnka pieprzu. Tak rozpoczęła się kampania National Ignition Facility (NIF), mająca na celu osiągnięcie celu, od którego wzięła się jego nazwa: zapoczątkowanie reakcji fuzji jądrowej, która wytwarza więcej energii niż laser wkłada.
Dziesięć lat i prawie 3000 strzałów później, NIF wciąż generuje więcej fizz niż bang, co jest utrudnione przez złożone, słabo zrozumiałe zachowanie celów laserowych, gdy parują i implodują. Ale dzięki nowym projektom celów i kształtom impulsów laserowych, wraz z lepszymi narzędziami do monitorowania miniaturowych eksplozji, naukowcy NIF wierzą, że są blisko ważnego pośredniego kamienia milowego znanego jako „płonąca plazma”: spalanie fuzji jądrowej podtrzymywane przez ciepło samej reakcji, a nie przez wkład energii lasera.
Samoogrzewanie jest kluczem do spalenia całego paliwa i uzyskania gwałtownego przyrostu energii. Kiedy NIF osiągnie próg, symulacje sugerują, że będzie miał łatwiejszą drogę do zapłonu, mówi Mark Herrmann, który nadzoruje program fuzji w Livermore. „Naciskamy tak mocno, jak tylko możemy” – mówi. „Można poczuć przyspieszenie w naszym zrozumieniu”. Osoby z zewnątrz również są pod wrażeniem. „Czujemy stały postęp i mniej zgadywania” – mówi Steven Rose, współdyrektor Centre for Inertial Fusion Studies w Imperial College London. „Odchodzą od tradycyjnych projektów i próbują nowych rzeczy.”
NIF może nie mieć luksusu czasu, jednak. Proporcja strzałów NIF przeznaczonych na zapłon została zmniejszona z blisko 60% w 2012 roku do mniej niż 30% obecnie, aby zarezerwować więcej strzałów dla Stockpile Stewardship – eksperymentów, które symulują detonacje jądrowe, aby pomóc zweryfikować niezawodność głowic. Prezydenckie wnioski budżetowe w ostatnich latach wielokrotnie zmierzały do ograniczenia badań nad fuzją jądrową z zamknięciem bezwładnościowym w NIF i w innych miejscach, ale Kongres je zachowywał. Bezpieczeństwa Jądrowego (National Nuclear Security Administration, NNSA), po raz pierwszy od pięciu lat dokonuje przeglądu postępów w pracach nad urządzeniem. Pod presją modernizacji arsenału jądrowego agencja może zdecydować się na dalsze przesunięcie w kierunku zarządzania zapasami (stockpile stewardship). „Czy program zapłonu zostanie wyciśnięty?” pyta Mike Dunne, który kierował wysiłkami Livermore w zakresie energii termojądrowej w latach 2010-2014. „The jury’s out.”
Fuzja od dawna była utrzymywana jako bezemisyjne źródło energii, zasilane łatwo dostępnymi izotopami wodoru i nie wytwarzające żadnych długożyciowych odpadów radioaktywnych. Jednak pozostaje to odległym marzeniem, nawet dla wolno spalających się pieców magnetycznych w kształcie pączków, takich jak projekt ITER we Francji, który ma na celu osiągnięcie zysku energetycznego po 2035 roku.
NIF i inne urządzenia do fuzji inercyjnej byłyby mniej podobne do pieca, a bardziej do silnika spalinowego, produkując energię poprzez gwałtowne eksplozje małych granulek paliwa. Podczas gdy niektóre lasery fuzyjne kierują swoje wiązki prosto na granulat, strzały NIF są pośrednie: wiązki ogrzewają złotą puszkę wielkości gumki do ścierania ołówka zwaną hohlraum, która emituje impuls promieniowania rentgenowskiego mający na celu zapoczątkowanie fuzji poprzez podgrzanie kapsuły paliwowej w jej centrum do dziesiątków milionów stopni i skompresowanie jej do miliardów atmosfer.
Ale strzały w ciągu pierwszych 3 lat kampanii zapłonu przyniosły tylko około 1 kilodżula (kJ) energii każdy, krótki z 21 kJ pompowanych do kapsuły przez impuls rentgenowski i daleko krótki z 1,8 megadżula (MJ) w oryginalnym impulsie laserowym. Siegfried Glenzer, który kierował początkową kampanią, mówi, że zespół był „zbyt ambitny” jeśli chodzi o osiągnięcie zapłonu. „Zbytnio polegaliśmy na symulacjach” – mówi Glenzer, obecnie pracujący w SLAC National Accelerator Laboratory.
Po nieudanej kampanii zapłonu badacze NIF wzmocnili swoje instrumenty diagnostyczne. Dodali więcej detektorów neutronów, aby uzyskać trójwymiarowy obraz tego, gdzie zachodzą reakcje fuzji. Dostosowali także cztery wiązki laserowe do wytwarzania ultrakrótkich impulsów o dużej mocy chwilę po implozji, aby odparować cienkie druty w pobliżu celu. Druty te działają jak lampy rentgenowskie, które mogą badać paliwo w trakcie jego kompresji. „To jak tomografia komputerowa” – mówi naukowiec planetarny Raymond Jeanloz z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który używa NIF do odtworzenia ciśnień panujących w jądrach olbrzymich planet, takich jak Jowisz. (Około 10% zrzutów z NIF jest poświęcone naukom podstawowym.)
Dzięki ostrzejszemu widzeniu, naukowcy wyśledzili wycieki energii z implodującego paliwa. Jeden z nich pojawił się w miejscu, gdzie maleńka rurka wstrzykiwała paliwo do kapsuły przed strzałem. Aby zatkać ten przeciek, zespół wykonał jeszcze cieńszą rurkę. Inne wycieki dotyczyły plastikowej powłoki kapsuły, więc badacze poprawili proces produkcji, aby wygładzić niedoskonałości o wielkości zaledwie milionowej części metra. Ulepszona diagnostyka „naprawdę pomaga naukowcom zrozumieć, jakie ulepszenia są wymagane” – mówi Mingsheng Wei z Laboratorium Energetyki Laserowej Uniwersytetu w Rochester.
Ogień przez próbę
Ośrodek Zapłonu Narodowego zbliżył się do zapłonu termojądrowego – uzyskiwania więcej energii niż wchodzi do środka – poprzez zmianę impulsów laserowych i celów. Jest jeszcze bliżej temperatur i ciśnień potrzebnych do osiągnięcia celu pośredniego: samonagrzewającej się „płonącej plazmy”
Zespół bawił się również kształtem 20-nanosekundowych impulsów laserowych. Wczesne impulsy zwiększały moc powoli, aby uniknąć zbyt szybkiego nagrzewania paliwa i utrudnienia jego kompresji. Późniejsze impulsy zwiększały moc bardziej agresywnie, aby plastikowa kapsuła miała mniej czasu na zmieszanie się z paliwem podczas kompresji, co zwiększyło nieco wydajność.
W obecnej kampanii, rozpoczętej w 2017 roku, naukowcy zwiększają temperaturę poprzez powiększenie hohlraumu i kapsuły nawet o 20%, zwiększając energię promieniowania rentgenowskiego, którą kapsuła może zaabsorbować. Aby podnieść ciśnienie, wydłużają czas trwania impulsu i zamieniają plastikowe kapsuły na gęstsze diamentowe, aby bardziej efektywnie skompresować paliwo.
NIF wielokrotnie osiągał wydajność zbliżającą się do 60 kJ. Ale Herrmann mówi, że ostatni strzał, omówiony na spotkaniu American Physical Society’s Division of Plasma Physics na początku tego miesiąca, przekroczył tę wartość. Planuje się powtórzenie badań, aby sprawdzić jak blisko jest do płonącej plazmy, która według przewidywań powinna pojawić się w okolicach 100 kJ. „To bardzo ekscytujące,” mówi.
Nawet przy maksymalnej kompresji, naukowcy z NIF uważają, że tylko sam środek paliwa jest wystarczająco gorący, aby się zapalić. Ale w zachęcającym odkryciu, widzą dowody na to, że gorący punkt dostaje impuls grzewczy od swobodnie poruszających się jąder helu, lub cząstek alfa, tworzonych przez reakcje fuzji. Jeśli NIF może wpompować nieco więcej energii, powinno to wywołać falę, która wyruszy z gorącego punktu, spalając paliwo.
Herrmann mówi, że zespół ma jeszcze kilka sztuczek do wypróbowania – każda z nich może podnieść temperaturę i ciśnienie do poziomu wystarczająco wysokiego, by utrzymać płonącą plazmę i zapłon. Testują różne kształty hohlraum, aby lepiej skupić energię na kapsule. Eksperymentują z kapsułami o podwójnych ściankach, które mogłyby skuteczniej przechwytywać i przesyłać energię promieniowania rentgenowskiego. A poprzez nasączenie paliwa pianką wewnątrz kapsuły, zamiast zamrażania go w postaci lodu na ścianach kapsuły, mają nadzieję stworzyć lepszy centralny gorący punkt.
Czy to wystarczy do osiągnięcia zapłonu? Jeśli te kroki nie wystarczą, kolejną opcją będzie zwiększenie energii lasera. Naukowcy NIF przetestowali ulepszenia w czterech liniach wiązek i udało im się uzyskać wzrost energii, który, jeśli ulepszenia zostałyby zastosowane do wszystkich wiązek, zbliżyłby cały obiekt do 3 MJ.
Takie ulepszenia oczywiście wymagają czasu i pieniędzy, których NIF może nie dostać. Naukowcy zajmujący się fuzją jądrową w NIF i innych miejscach z niepokojem oczekują na wnioski z przeglądu NNSA. „Jak daleko możemy się posunąć?” pyta Herrmann. „Jestem optymistą. Pchniemy NIF tak daleko, jak to tylko możliwe.”