În camera țintă a instalației naționale de aprindere, 192 de fascicule laser sunt focalizate pe granule de combustibil de fuziune de mărimea unui bob de piper.
Laboratorul Național Lawrence Livermore
În octombrie 2010, într-o clădire de mărimea a trei terenuri de fotbal american, cercetătorii de la Laboratorul Național Lawrence Livermore au alimentat 192 de fascicule laser, au concentrat energia acestora într-un impuls cu puterea unui camion care merge cu viteză și au tras asupra unei pelete de combustibil nuclear de mărimea unui bob de piper. Așa a început o campanie a National Ignition Facility (NIF) pentru a atinge obiectivul pentru care a primit acest nume: aprinderea unei reacții de fuziune care produce mai multă energie decât pune laserul.
Un deceniu și aproape 3000 de focuri de armă mai târziu, NIF încă generează mai multă efervescență decât explozie, împiedicată de comportamentul complex și puțin înțeles al țintelor laserului atunci când acestea se vaporizează și implodează. Dar cu noi modele de ținte și forme de impulsuri laser, împreună cu instrumente mai bune pentru a monitoriza exploziile miniaturale, cercetătorii NIF cred că sunt aproape de o etapă intermediară importantă cunoscută sub numele de „plasmă în flăcări”: o ardere de fuziune întreținută de căldura reacției în sine, mai degrabă decât de aportul de energie laser.
Autoîncălzirea este cheia pentru a arde tot combustibilul și pentru a obține un câștig de energie nebănuit. Odată ce NIF atinge pragul, simulările sugerează că va avea o cale mai ușoară spre aprindere, spune Mark Herrmann, care supraveghează programul de fuziune de la Livermore. „Facem tot ce putem”, spune el. „Se poate simți accelerația în înțelegerea noastră”. Și cei din afară sunt impresionați. „Simți că există un progres constant și mai puține presupuneri”, spune Steven Rose, co-director al Centrului pentru Studii de Fuziune Inerțială de la Imperial College din Londra. „Se îndepărtează de modelele susținute în mod tradițional și încearcă lucruri noi.”
NIF s-ar putea să nu aibă totuși luxul de timp. Proporția de trageri NIF dedicate efortului de aprindere a fost redusă de la un maxim de aproape 60% în 2012 la mai puțin de 30% în prezent, pentru a rezerva mai multe trageri pentru administrarea stocului – experimente care simulează detonări nucleare pentru a ajuta la verificarea fiabilității focoaselor. În ultimii ani, cererile de buget prezidențiale au încercat în mod repetat să reducă cercetarea în domeniul fuziunii prin confinare inerțială la NIF și în alte părți, doar pentru ca Congresul să o mențină. Finanțatorul NIF, Administrația Națională pentru Securitate Nucleară (NNSA), revizuiește progresul mașinii pentru prima dată în ultimii 5 ani. Sub presiunea de a moderniza arsenalul nuclear, agenția ar putea decide să se orienteze și mai mult spre administrarea stocului de rezerve. „Va fi eliminat programul de aprindere?”, se întreabă Mike Dunne, care a condus eforturile Livermore în domeniul energiei de fuziune între 2010 și 2014. „Juriul nu s-a pronunțat.”
Fuziunea a fost mult timp prezentată ca o sursă de energie fără emisii de dioxid de carbon, alimentată de izotopi de hidrogen ușor de obținut și care nu produce deșeuri radioactive cu durată lungă de viață. Dar rămâne un vis îndepărtat, chiar și pentru cuptoarele magnetice cu ardere lentă, în formă de gogoașă, cum ar fi proiectul ITER din Franța, care își propune să obțină un câștig de energie cândva după 2035.
NIF și alte dispozitive de fuziune inerțială ar semăna mai puțin cu un cuptor și mai mult cu un motor cu combustie internă, producând energie prin explozii rapide ale micilor granule de combustibil. În timp ce unele lasere de fuziune își îndreaptă fasciculele direct spre granule, tirurile NIF sunt indirecte: fasciculele încălzesc o cutie de aur de mărimea unei gume de creion numită hohlraum, care emite un impuls de raze X menit să declanșeze fuziunea prin încălzirea capsulei de combustibil din centrul său la zeci de milioane de grade și comprimarea acesteia la miliarde de atmosfere.
Dar împușcăturile din primii 3 ani ai campaniei de aprindere au produs doar aproximativ 1 kilojoule (kJ) de energie fiecare, mai puțin decât cei 21 kJ pompați în capsulă de impulsul de raze X și mult mai puțin decât cei 1,8 megajouli (MJ) din impulsul laser original. Siegfried Glenzer, care a condus campania inițială, spune că echipa a fost „prea ambițioasă” în ceea ce privește atingerea aprinderii. „Ne-am bazat prea mult pe simulări”, spune Glenzer, acum la SLAC National Accelerator Laboratory.
După eșecul campaniei de aprindere, cercetătorii NIF și-au întărit instrumentele de diagnosticare. Ei au adăugat mai mulți detectoare de neutroni pentru a le oferi o vedere 3D a locului în care aveau loc reacțiile de fuziune. De asemenea, au adaptat patru dintre razele lor laser pentru a produce impulsuri ultrascurte de mare putere la câteva momente după implozie, pentru a vaporiza firele subțiri din apropierea țintei. Firele acționează ca un bec cu raze X, fiind capabile să sondeze combustibilul în timp ce acesta se comprimă. „Este ca o tomografie computerizată”, spune cercetătorul planetar Raymond Jeanloz de la Universitatea din California, Berkeley, care folosește NIF pentru a reproduce presiunile din miezul unor planete gigantice precum Jupiter. (Aproximativ 10% din capturile NIF sunt dedicate științei fundamentale.)
Cu o viziune mai ascuțită, cercetătorii au depistat scurgeri de energie din peletele de combustibil în implozie. Una a venit în punctul în care un tub minuscul a injectat combustibilul în capsulă înainte de împușcare. Pentru a astupa scurgerea, echipa a făcut tubul și mai subțire. Alte scurgeri au fost depistate la învelișul de plastic al capsulei, așa că cercetătorii au revizuit procesul de fabricație pentru a netezi imperfecțiunile de doar o milionime de metru. Diagnosticul îmbunătățit „îi ajută cu adevărat pe oamenii de știință să înțeleagă ce îmbunătățiri sunt necesare”, spune Mingsheng Wei de la Laboratorul de Energetică Laser de la Universitatea Rochester.
Focare prin încercare
National Ignition Facility s-a apropiat de aprinderea fuziunii – obținerea mai multă energie decât cea care intră – prin modificarea pulsurilor și țintelor sale laser. Este chiar mai aproape de temperaturile și presiunile necesare pentru un obiectiv intermediar: o „plasmă în flăcări” care se autoîncălzește.”
Echipa s-a jucat, de asemenea, cu forma impulsurilor laser de 20 de nanosecunde. Primele împușcături au crescut în putere încet, pentru a evita să încălzească prea repede combustibilul și să îl facă mai greu de comprimat. Impulsurile ulterioare au crescut mai agresiv, astfel încât capsula de plastic să aibă mai puțin timp să se amestece cu combustibilul în timpul comprimării, o tactică care a sporit oarecum randamentul.
În campania actuală, începută în 2017, cercetătorii cresc temperaturile prin mărirea hohlraumului și a capsulei cu până la 20%, mărind energia razelor X pe care capsula o poate absorbi. Pentru a crește presiunea, ei extind durata impulsului și trec de la capsulele din plastic la cele din diamant, mai dense, pentru a comprima combustibilul mai eficient.
NIF a obținut în mod repetat randamente care se apropie de 60 kJ. Dar Herrmann spune că o recentă împușcătură, discutată la reuniunea Diviziei de Fizică a Plasmei a Societății Americane de Fizică de la începutul acestei luni, a depășit această valoare. Sunt planificate împușcături repetate pentru a evalua cât de aproape au ajuns de o plasmă în flăcări, care se preconizează că se va produce în jurul valorii de 100 kJ. „Este destul de interesant”, spune el.
Inclusiv la compresie maximă, cercetătorii de la NIF cred că doar centrul combustibilului este suficient de fierbinte pentru a fuziona. Dar, într-o constatare încurajatoare, ei văd dovezi că punctul fierbinte primește un impuls de încălzire de la nucleele de heliu în mișcare frenetică, sau particule alfa, create de reacțiile de fuziune. Dacă NIF poate pompa doar un pic mai multă energie, ar trebui să declanșeze un val care va alerga în afara punctului fierbinte, arzând combustibilul pe măsură ce se deplasează.
Herrmann spune că echipa mai are încă câteva trucuri de încercat – fiecare dintre acestea ar putea duce temperaturile și presiunile la niveluri suficient de ridicate pentru a susține plasma în flăcări și aprinderea. Ei testează diferite forme de hohlraum pentru a concentra mai bine energia pe capsulă. Ei experimentează capsule cu pereți dubli care ar putea capta și transfera mai eficient energia razelor X. Și prin îmbibarea combustibilului într-o spumă în interiorul capsulei, mai degrabă decât prin înghețarea acestuia sub formă de gheață pe pereții capsulei, ei speră să formeze un punct fierbinte central mai bun.
Va fi suficient pentru a ajunge la aprindere? Dacă acești pași nu sunt suficienți, creșterea energiei laserului ar fi următoarea opțiune. Cercetătorii NIF au testat îmbunătățiri pe patru dintre liniile de fascicule și au reușit să obțină o creștere a energiei care, dacă îmbunătățirile ar fi aplicate la toate fasciculele, ar aduce întreaga instalație aproape de 3 MJ.
Aceste îmbunătățiri ar necesita, bineînțeles, timp și bani pe care NIF s-ar putea să nu ajungă să îi obțină. Oamenii de știință din domeniul fuziunii de la NIF și din alte părți așteaptă cu nerăbdare concluziile revizuirii NNSA. „Cât de departe putem ajunge?” se întreabă Herrmann. „Eu sunt un optimist. Vom împinge NIF cât de departe putem.”
.