Baby Steps στο δρόμο προς την ενέργεια σύντηξης
Καθώς πλησιάζει τα πέμπτα γενέθλιά του, το National Ignition Facility (NIF), μια προβληματική εγκατάσταση σύντηξης λέιζερ στην Καλιφόρνια, έδωσε επιτέλους κάποια αποτελέσματα για τα οποία μπορούν να ενθουσιαστούν οι επιστήμονες σύντηξης. Σε μια σειρά πειραμάτων στα τέλη του περασμένου έτους, οι ερευνητές της NIF κατάφεραν να παράγουν ενεργειακές αποδόσεις 10 φορές μεγαλύτερες από αυτές που παρήχθησαν πριν και να επιδείξουν το φαινόμενο της αυτοθέρμανσης που θα είναι κρίσιμο εάν η σύντηξη θέλει να φτάσει στον απώτερο στόχο της «ανάφλεξης». -αντίδραση διατήρησης της καύσης που παράγει περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει.
"Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό επίτευγμα και είναι ένα πολύ καλό μέρος για να ξεκινήσετε για να προχωρήσετε σε υψηλότερη απόδοση", λέει ο Steven Rose του Κέντρου Μελετών Αδρανειακής Σύντηξης στο Imperial College του Λονδίνου.
Το NIF, που βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, στοχεύει στην αναπαραγωγή της πηγής ενέργειας του ήλιου και των βομβών υδρογόνου με τη σύντηξη πυρήνων από δύο ισότοπα υδρογόνου:το δευτέριο και το τρίτιο. Αυτό το κάνει θερμαίνοντάς τους σε τεράστιες θερμοκρασίες και πιέσεις με το λέιζερ υψηλότερης ενέργειας στον κόσμο, έτσι ώστε οι πυρήνες να συνθλίψουν μαζί με αρκετή δύναμη για να ξεπεράσουν τη φυσική τους αμοιβαία απώθηση.
Μετά την ολοκλήρωσή του το 2009, οι ερευνητές του NIF ξεκίνησαν μια 3ετή εκστρατεία για να επιτύχουν την ανάφλεξη όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Αλλά όταν τελείωσε αυτή η περίοδος, απείχαν ακόμη πολύ μακριά από τον στόχο τους. Το Κογκρέσο των ΗΠΑ παραχώρησε στο εργαστήριο άλλα 3 χρόνια για να πραγματοποιήσει μια πιο διερευνητική σειρά πειραμάτων και να εντοπίσει τα προβλήματα.
Τα νέα αποτελέσματα, δημοσιεύθηκαν σήμερα στο Nature και την περασμένη εβδομάδα στο Physical Review Letters , είναι το πρώτο σημάδι ότι αυτή η προσέγγιση λειτουργεί. «Είναι ένα ωραίο αποτέλεσμα», λέει ο Robert McCrory, διευθυντής του Laboratory for Laser Energetics στο Πανεπιστήμιο του Rochester στη Νέα Υόρκη, ένα άλλο εργαστήριο σύντηξης λέιζερ, προσθέτοντας γρήγορα ότι το NIF απέχει ακόμα πολύ από την ανάφλεξη. "Οι άνθρωποι που περιμένουν μια σημαντική ανακάλυψη σύντομα θα απογοητευτούν", λέει.
Για να επιτευχθούν οι ακραίες συνθήκες που είναι απαραίτητες για τη σύντηξη, ορισμένες εγκαταστάσεις, όπως ο αντιδραστήρας ITER στη Γαλλία, χρησιμοποιούν ισχυρά μαγνητικά πεδία για να περιορίσουν το καύσιμο και να το θερμάνουν με δέσμες σωματιδίων. Το NIF ακολουθεί μια διαφορετική προσέγγιση:ανατινάξει ένα μικροσκοπικό δείγμα καυσίμου με παλμό λέιζερ για να κάνει μια μικρή έκρηξη σύντηξης. Εάν όλα λειτουργούν σωστά, η έκρηξη θα έχει μεγαλύτερη ενέργεια από τον παλμό λέιζερ, προσφέροντας καθαρό ενεργειακό κέρδος. Το λέιζερ του NIF, στο μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου, παράγει 192 ακτίνες υπεριώδους ακτινοβολίας που μπορούν να αποδώσουν 1,9 megajoules—περίπου την κινητική ενέργεια ενός φορτηγού 2 τόνων που ταξιδεύει με 160 χιλιόμετρα την ώρα—σε έναν παλμό που διαρκεί μόλις νανοδευτερόλεπτα.
Οι υπεριώδεις ακτίνες μετατρέπονται σε ακτίνες Χ, οι οποίες στη συνέχεια πέφτουν στην κάψουλα καυσίμου, μια κούφια πλαστική σφαίρα μικρότερη από έναν κόκκο πιπεριού που περιέχει 0,17 χιλιοστόγραμμα κατεψυγμένου δευτερίου και τριτίου. Ο έντονος παλμός ακτίνων Χ που χτυπά την κάψουλα προκαλεί την έκρηξη μέρους του πλαστικού. Αυτό οδηγεί το υπόλοιπο πλαστικό και παγωμένο καύσιμο προς το κέντρο με υψηλή ταχύτητα. Εάν όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο, το αποτέλεσμα είναι μια μικροσκοπική μπάλα καυσίμου σύντηξης στα 50 εκατομμύρια kelvin, 100 φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα του μολύβδου—αρκετά ζεστή και αρκετά πυκνή ώστε να πυροδοτήσει αντιδράσεις σύντηξης.
Τα αρχικά σχέδια της NIF για την επίτευξη ανάφλεξης βασίζονταν σε μεγάλο βαθμό σε προσομοιώσεις που βασίζονταν σε παλαιότερες εργασίες στο Livermore και σε άλλα εργαστήρια. Μόλις οι επιστήμονες του NIF άρχισαν να πυροβολούν τις βολές τους, η όλη διαδικασία φαινόταν να λειτουργεί και οι προσομοιώσεις προέβλεπαν ότι το NIF θα έπρεπε να συγχωνεύεται πολύ. Αλλά τα όργανα είπαν μια διαφορετική ιστορία:οι ενεργειακές αποδόσεις ήταν πολύ χαμηλές. Το 2012, το Κογκρέσο διέταξε μια έρευνα, η οποία τελικά επέκρινε τους ερευνητές του NIF επειδή δεν ήταν σε θέση να εξηγήσουν την απόκλιση μεταξύ προσομοίωσης και πειράματος. Το 2013, οι ερευνητές του NIF άρχισαν να διερευνούν τα προβλήματα πιο επιστημονικά. υπήρξε επίσης μια αλλαγή ηγεσίας στο εργαστήριο και νέοι ερευνητές εντάχθηκαν στην ομάδα.
Εντόπισαν δύο βασικά προβλήματα. Η συμπίεση του σφαιριδίου του καυσίμου συχνά δεν ήταν συμμετρική και παρήγαγε μια σταγόνα καυσίμου σε σχήμα ντόνατς. και κατά τη διάρκεια της έκρηξης, η πλαστική κάψουλα διασπούσε και αναμειγνυόταν με το καύσιμο, καθιστώντας πιο δύσκολο τον σπινθήρα σύντηξης στο τέλος.
Για να αντιμετωπίσει το πρόβλημα του σχήματος, η νέα ομάδα άρχισε να παίζει με τις σχετικές ενέργειες των 192 ακτίνων λέιζερ για να πιέσει λίγο περισσότερο σε ορισμένα σημεία και λίγο λιγότερο σε άλλα, με την ελπίδα να λάβει μια πιο συμμετρική έκρηξη.
Για να αποτρέψουν τη διάσπαση της κάψουλας, οι ερευνητές προσάρμοσαν τον χρονισμό του παλμού λέιζερ. Προηγούμενες λήψεις το έτρεχαν σε χαμηλή ισχύ για τα περισσότερα από τα 20 νανοδευτερόλεπτά του για να κινηθεί η έκρηξη χωρίς να ζεσταθεί το καύσιμο και στη συνέχεια να τελειώσει με μια έκρηξη υψηλής ισχύος για τον τελικό σπινθήρα. Η ιδέα πίσω από αυτή την προσέγγιση "χαμηλού ποδιού" ήταν ότι το ψυχρό καύσιμο θα συμπιεστεί σε υψηλότερη πυκνότητα στο τέλος. Το μειονέκτημα ήταν ότι η πιο αργή ταχύτητα επέτρεψε τη διάσπαση του χρόνου της κάψουλας. Σε λήψεις χαμηλού ποδιού, "συμβαίνουν πάρα πολλά επιβλαβή πράγματα ταυτόχρονα, δεν μπορείτε να δείτε τι συμβαίνει", λέει ο Stephen Obenschain, επικεφαλής του κλάδου πλάσματος λέιζερ του τμήματος φυσικής πλάσματος στο Naval Research Laboratory στην Ουάσιγκτον. , D.C.
Η νέα ομάδα NIF αποφάσισε να δοκιμάσει έναν παλμό που ξεκίνησε με ελαφρώς υψηλότερη ισχύ, για να προκαλέσει την ταχύτερη έκρηξη του καυσίμου και να τερματίσει τον παλμό νωρίτερα, μετά από μόλις 15 νανοδευτερόλεπτα. Αν και τέτοιοι παλμοί «υψηλού ποδιού» δεν θα τους επέτρεπαν να αποκτήσουν τόσο υψηλή πυκνότητα στο τέλος, οι ερευνητές ήλπιζαν ότι θα βοηθούσαν στον έλεγχο της ανάμειξης. Μια βολή που πραγματοποιήθηκε στις 13 Αυγούστου πέρυσι τους απέδειξε ότι είχαν δίκιο, με ένα τεράστιο άλμα στην ενεργειακή απόδοση. Άλλες δύο βολές, στις 27 Σεπτεμβρίου και στις 19 Νοεμβρίου, τα πήγαν ακόμα καλύτερα, παράγοντας περισσότερη ενέργεια (14,4 και 17,3 kilojoules) από ό,τι εναποτέθηκε στο καύσιμο σύντηξης κατά τη διάρκεια της έκρηξης (11 και 9 kilojoules)—η πρώτη φορά που έχει επιτευχθεί ποτέ σε ένα πείραμα σύντηξης λέιζερ. "Κάναμε ένα βήμα πίσω από ό,τι είχε δοκιμαστεί στο παρελθόν και αυτό μας έδωσε ένα άλμα προς τα εμπρός", δήλωσε ο επικεφαλής της ομάδας NIF Omar Hurricane σε συνέντευξη Τύπου αυτή την εβδομάδα.
Είναι σημαντικό ότι η ομάδα είδε επίσης ένα φαινόμενο αυτοθέρμανσης που θα είναι ζωτικής σημασίας για την αυξημένη απόδοση σύντηξης. Οι αντιδράσεις σύντηξης παράγουν σωματίδια άλφα (πυρήνες ηλίου) καθώς και νετρόνια, και όταν οι αντιδράσεις ξεκινούν στον πυρήνα του καυσίμου, τα άλφα βοήθησαν θερμαίνοντας το περιβάλλον ψυχρότερο καύσιμο μέχρι τη θερμοκρασία αντίδρασης. Η ομάδα NIF πιστεύει ότι στις καλύτερες λήψεις της, αυτή η θέρμανση άλφα διπλασίασε την απόδοση της σύντηξης. "Τα άλφα πραγματικά θερμαίνουν το αέριο", λέει ο Rose.
Οι παρατηρητές σημειώνουν επίσης ότι στις περσινές λήψεις, υπήρχε στενότερη συμφωνία μεταξύ προσομοιώσεων και πειραματικών αποτελεσμάτων. "Κάνοντας αυτές τις λιγότερο απαιτητικές εκρήξεις, τα αποτελέσματα συμφωνούν πλέον με τους κώδικες και αυτό είναι πολύ ενθαρρυντικό", λέει ο Michael Campbell, πρώην διευθυντής NIF τώρα στα Sandia National Laboratories. "Μπορούν να εμπιστευτούν τις προσομοιώσεις τώρα με τρόπο που δεν μπορούσαν πριν", λέει ο Rose.
Ωστόσο, οι πρόσφατες λήψεις εξακολουθούν να απέχουν πολύ από αυτό που οι περισσότεροι ερευνητές σύντηξης θεωρούν πραγματικό «κέρδος»:περισσότερη ενέργεια σύντηξης από την ενέργεια λέιζερ. όταν μετατρέπεται από UV σε ακτίνες Χ και εστιάζεται στην κάψουλα καυσίμου. Η καλύτερη λήψη του περασμένου έτους παρήγαγε λιγότερο από το 1% της ενέργειας του παλμού λέιζερ.
Οι απόψεις διίστανται για το τι πρέπει να κάνει τώρα η ομάδα NIF. Ο McCrory δεν πιστεύει ότι η τρέχουσα προσέγγιση θα οδηγήσει τελικά σε επιτυχή ανάφλεξη, επομένως χρειάζεται περισσότερη καινοτομία. «Πιέζουν όσο πιο μακριά μπορούν», λέει. Η Rose συμφωνεί:«Δεν είμαι σίγουρος ότι έχουν μια διαδρομή προς το πραγματικό κέρδος». Το πρόβλημα είναι ότι οι ερευνητές επέστρεψαν την τελική πίεση για να ελέγξουν την ανάμειξη κατά τη διάρκεια της έκρηξης. τώρα πρέπει να αυξήσουν ξανά την πίεση για να κάνουν το καύσιμο αρκετά πυκνό για υψηλές αποδόσεις χωρίς να αφήνουν την ανάμειξη να εισχωρήσει ξανά. "Ναι, περιοριστήκαμε για να αποκτήσουμε αυτόν τον έλεγχο", είπε ο Hurricane στη συνέντευξη Τύπου. "Είναι ένα σημείο εκκίνησης. Τώρα πρέπει να χτυπήσουμε προς διαφορετικές κατευθύνσεις."
Παρά τις αβεβαιότητες, οι ερευνητές ενθαρρύνονται από την ανανεωμένη πρόοδο στο NIF. «Αυτά είναι τα σωστά πειράματα που πρέπει να γίνουν», λέει ο Campbell. "Ποιος ξέρει πόσο μακριά μπορούν να το πάνε αυτό;"
*Διόρθωση, 12 Φεβρουαρίου, 5:06 μ.μ.: Αυτό το στοιχείο διορθώθηκε για να διευκρινιστεί ότι ο Stephen Obenschain είναι ο επικεφαλής του κλάδου πλάσματος λέιζερ του τμήματος φυσικής πλάσματος στο Ναυτικό Ερευνητικό Εργαστήριο.
