I målkammaren i National Ignition Facility fokuseras 192 laserstrålar på pellets av fusionsbränsle i storlek av pepparkorn.
Lawrence Livermore National Laboratory
I oktober 2010, i en byggnad som är lika stor som tre amerikanska fotbollsplaner, satte forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory 192 laserstrålar på strömmen, fokuserade deras energi i en puls med slagkraften hos en fortkörande lastbil och avfyrade den mot en pellets av kärnbränsle i storlek med ett pepparkorn. Så började en kampanj av National Ignition Facility (NIF) för att uppnå det mål som den är uppkallad efter: att tända en fusionsreaktion som producerar mer energi än vad lasern tillför.
Tio år och nästan 3 000 skott senare genererar NIF fortfarande mer brus än smällar, vilket hindras av lasermålens komplexa och dåligt förstådda beteende när de förångas och imploderar. Men med nya målkonstruktioner och laserpulsformer, tillsammans med bättre verktyg för att övervaka miniatyrexplosionerna, tror NIF-forskarna att de är nära en viktig mellanliggande milstolpe som kallas ”burning plasma” (brinnande plasma): en fusionsförbränning som upprätthålls av reaktionsvärmen i sig själv snarare än av tillförd laserenergi.
Självuppvärmning är nyckeln till att bränna upp allt bränsle och få en galopperande energiförstärkning. När NIF väl når tröskelvärdet tyder simuleringar på att det kommer att ha en lättare väg till antändning, säger Mark Herrmann, som övervakar Livermores fusionsprogram. ”Vi trycker på så hårt vi kan”, säger han. ”Man kan känna hur vår förståelse accelererar.” Utomstående är också imponerade. ”Man känner att det sker stadiga framsteg och att det blir mindre gissningar”, säger Steven Rose, meddirektör för Centre for Inertial Fusion Studies vid Imperial College i London. ”De rör sig bort från traditionella konstruktioner och provar nya saker.”
NIF kanske inte har lyxen av tid. Den andel av NIF:s skott som ägnas åt tändningsarbetet har minskats från en toppnotering på nästan 60 % år 2012 till mindre än 30 % i dag för att reservera fler skott för stockpile stewardship – experiment som simulerar kärnvapendetonationer för att hjälpa till att verifiera stridsspetsarnas tillförlitlighet. I presidentens budgetansökningar under de senaste åren har man upprepade gånger försökt skära ned på forskningen om fusion med tröghetsinlåsning vid NIF och på andra ställen, men kongressen har sedan fått behålla den. NIF:s finansiär, National Nuclear Security Administration (NNSA), ser för första gången på fem år över maskinens framsteg. Under trycket att modernisera kärnvapenarsenalen kan myndigheten besluta om en ytterligare förskjutning mot lagerförvaltning. ”Kommer tändningsprogrammet att pressas ut?” frågar Mike Dunne, som ledde Livermores arbete med fusionsenergi från 2010 till 2014. ”Juryn är ute.”
Fusion har länge framhållits som en koldioxidfri energikälla, som drivs av lätt tillgängliga isotoper av väte och som inte producerar något långlivat radioaktivt avfall. Men det är fortfarande en avlägsen dröm, till och med för de långsamt brinnande, munkformade magnetiska ugnarna som ITER-projektet i Frankrike, som syftar till att uppnå energivinst någon gång efter 2035.
NIF och andra tröghetsfusionsapparater skulle mindre likna en ugn och mer likna en förbränningsmotor, som producerar energi genom snabba explosioner av de små bränslekulorna. Medan vissa fusionslasrar riktar sina strålar rakt mot pelletsen är NIF:s skott indirekta: strålarna värmer upp en guldburk som är lika stor som ett suddgummi och som kallas hohlraum, som avger en puls av röntgenstrålar som är tänkt att antända fusionen genom att värma bränslekapseln i dess centrum till tiotals miljoner grader och komprimera den till miljarder atmosfärer.
Men skotten under de tre första åren av tändningskampanjen gav bara omkring 1 kilojoule (kJ) energi vardera, vilket är mindre än de 21 kJ som pumpades in i kapseln av röntgenpulsen och långt ifrån de 1,8 megajoule (MJ) i den ursprungliga laserpulsen. Siegfried Glenzer, som ledde den första kampanjen, säger att laget var ”överdrivet ambitiöst” när det gällde att nå tändning. ”Vi var alltför beroende av simuleringar”, säger Glenzer, som nu arbetar vid SLAC National Accelerator Laboratory.
Efter den misslyckade tändkampanjen förstärkte NIF-forskarna sina diagnostiska instrument. De lade till fler neutrondetektorer för att få en 3D-bild av var fusionsreaktionerna ägde rum. De anpassade också fyra av sina laserstrålar för att producera högeffektiva, ultrakorta pulser ögonblick efter implosionen för att förånga tunna trådar nära målet. Trådarna fungerar som en röntgenblixtlampa som kan undersöka bränslet när det komprimeras. ”Det är som en datortomografi”, säger planetforskaren Raymond Jeanloz vid University of California, Berkeley, som använder NIF för att efterlikna trycket i kärnan hos jätteplaneter som Jupiter. (Ungefär 10 % av NIF:s skott ägnas åt grundforskning.)
Med sin skarpare syn har forskarna spårat upp energiläckor från den imploderande bränslepelletsen. En kom vid den punkt där ett litet rör injicerade bränsle i kapseln före skottet. För att täppa till läckan gjorde teamet röret ännu tunnare. Andra läckor spårades tillbaka till kapselns plasthölje, så forskarna har ändrat tillverkningen för att jämna ut ojämnheter på bara en miljondels meter. Den förbättrade diagnostiken ”hjälper verkligen forskarna att förstå vilka förbättringar som krävs”, säger Mingsheng Wei vid Laboratory for Laser Energetics vid University of Rochester.
Fire by trial
Den nationella tändningsanläggningen (National Ignition Facility) har närmat sig fusionsantändning – att få ut mer energi än vad som går in – genom att förändra sina laserpulser och mål. Det är ännu närmare de temperaturer och tryck som krävs för ett mellanliggande mål: ett självuppvärmande ”brinnande plasma”.
Teamet har också lekt med formen på laserpulserna på 20 nanosekunder. Tidiga skott ökade långsamt i effekt för att undvika att bränslet värms upp för snabbt och blir svårare att komprimera. Senare pulser ökade mer aggressivt så att plastkapseln fick mindre tid på sig att blandas med bränslet under kompressionen, en taktik som ökade avkastningen något.
I den nuvarande kampanjen, som inleddes 2017, höjer forskarna temperaturen genom att förstora hohlraumet och kapseln med upp till 20 %, vilket ökar den röntgenstrålningsenergi som kapseln kan absorbera. För att öka trycket förlänger de pulsen och byter från plastkapslar till tätare diamantkapslar för att komprimera bränslet mer effektivt.
NIF har upprepade gånger uppnått utbyten som närmar sig 60 kJ. Men Herrmann säger att en nyligen genomförd skjutning, som diskuterades vid American Physical Societys Division of Plasma Physics möte tidigare denna månad, har överträffat detta. Upprepade skott planeras för att mäta hur nära de kom en brinnande plasma, som beräknas inträffa runt 100 kJ. ”Det är ganska spännande”, säger han.
Även vid maximal kompression tror NIF-forskarna att endast bränslets centrum är tillräckligt varmt för att smälta. Men i ett uppmuntrande resultat ser de bevis för att den heta punkten får en värmestimulans från frenetiskt rörliga heliumkärnor, eller alfapartiklar, som skapas av fusionsreaktionerna. Om NIF kan pumpa in lite mer energi bör det utlösa en våg som rusar ut från den heta punkten och bränner bränslet på vägen.
Herrmann säger att teamet fortfarande har några fler knep att pröva – vart och ett av dem skulle kunna driva upp temperaturer och tryck till nivåer som är tillräckligt höga för att upprätthålla brinnande plasma och antändning. De testar olika hohlraumformer för att bättre fokusera energin på kapseln. De experimenterar med dubbelväggiga kapslar som skulle kunna fånga in och överföra röntgenenergi mer effektivt. Och genom att låta bränslet ligga i ett skum i kapseln, i stället för att frysa det som is på kapselväggarna, hoppas de kunna bilda en bättre central hot spot.
Kommer det att räcka för att nå antändning? Om dessa åtgärder inte räcker till skulle en ökning av laserenergin vara nästa alternativ. NIF-forskare har testat uppgraderingar på fyra av strålningslinjerna och lyckats få till stånd en energiförstärkning som, om uppgraderingarna tillämpades på alla strålar, skulle föra hela anläggningen nära 3 MJ.
Dessa uppgraderingar skulle förstås ta tid och pengar som NIF kanske inte kommer att få i slutändan. Fusionsforskare vid NIF och på andra ställen väntar med spänning på slutsatserna från NNSA:s granskning. ”Hur långt kan vi komma?” Herrmann frågar. ”Jag är optimist. Vi kommer att driva NIF så långt som möjligt.”