Największy na świecie laser nabiera mocy

Najbardziej energetyczny system laserowy na świecie, zaprojektowany do wytwarzania syntezy jądrowej – tej samej reakcji, która zasila słońce – jest już uruchomiony. W ciągu dwóch do trzech lat naukowcy spodziewają się wywołać reakcje fuzji, które uwalniają więcej energii, niż potrzeba do ich wytworzenia. Jeśli im się to uda, będzie to pierwszy raz, gdy zostanie to zrobione w sposób kontrolowany – w laboratorium, a nie w bombie atomowej – i może ostatecznie doprowadzić do powstania elektrowni termojądrowych.

Centralna fuzja: 192 lasery wystrzelą przez otwory w tej kulistej komorze, skupiając się w pobliżu wierzchołka stożka wystającego z prawej strony. Po lewej stronie widać pracownika w module serwisowym.

ten Krajowy Zakład Zapłonu (NIF), w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Departamentu Energii USA, składa się z 192 laserów, które strzelają jednocześnie dokładnie w tym samym punkcie w przestrzeni: kuli paliwa o średnicy dwóch milimetrów. Zostały zaprojektowane tak, aby dostarczać 1,8 megadżuli energii w ciągu kilku miliardowych części sekundy. To wystarczy, aby ścisnąć paliwo do drobiny o średnicy 50 mikrometrów i podgrzać je do trzech milionów stopni Celsjusza. Lasery, które zostały wystrzelone razem po raz pierwszy w zeszłym miesiącu, jak dotąd wytwarzały impulsy o wartości 1,1 megadżuli.

W zależności od tego, jak to policzysz, jest od 60 do 100 razy bardziej energetyczny niż jakikolwiek system laserowy, który kiedykolwiek zbudowano, mówi Edwarda Mojżesza , główny zastępca dyrektora ds. NIF i Photon Science w LLNL. Ostatecznie oczekuje się, że reakcje syntezy jądrowej wytwarzane przez każdy impuls wygenerują co najmniej 10 razy więcej energii dostarczanej przez lasery, co stanowi znaczny zysk netto, który może być przydatny do generowania mocy.

Obiekt o wartości 3,5 miliarda dolarów, który jest rozwijany od 15 lat, został sfinansowany przede wszystkim jako sposób na lepsze zrozumienie broni jądrowej po zakazie testowania w latach 90. XX wieku. NIF wytworzy maleńkie eksplozje termojądrowe, które dadzą naukowcom wgląd w to, co dzieje się po wybuchu bomby atomowej. Te dane mogą z kolei zostać wykorzystane do weryfikacji symulacji komputerowych, które pomogą ustalić, czy zapasy broni jądrowej w Stanach Zjednoczonych będą nadal działać w miarę starzenia się broni. Dane mogą również dostarczyć wglądu w procesy napędzające Słońce i inne gwiazdy oraz odpowiedzieć na inne pytania naukowe. Wreszcie, NIF może służyć jako projekt sprawdzający koncepcję elektrowni termojądrowej.

Aby wygenerować fuzję, 192 wiązki laserowe są generowane, wzmacniane, przekształcane ze światła podczerwonego na ultrafioletowe, a następnie wycelowane w mały złoty pojemnik wielkości gumki do ołówka. Wewnątrz tego kanistra znajduje się kula zawierająca paliwo: dwa izotopy wodoru zwane deuterem i trytem. Lasery są rozmieszczone wokół kuli, aby wytworzyć temperatury i ciśnienia potrzebne do zainicjowania reakcji fuzji. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, niektóre atomy wodoru powinny się połączyć, wytwarzając hel i uwalniając energię. To z kolei powinno spowodować więcej reakcji syntezy jądrowej, aż do wyczerpania się paliwa. Cały proces zajmie tylko kilka miliardowych części sekundy.

Innowacyjne szkło: Szkło potrzebne do wzmacniaczy lasera zostało wykonane przy użyciu technik opracowanych specjalnie dla National Ignition Facility. Oto przykłady topionego i zgrubnie ciętego szkła fosforanowego z domieszką neodymu.

Naukowcy już wcześniej stworzyli fuzję w laboratorium, ale ich eksperymenty wymagały więcej energii niż wyprodukowały. Na przykład system w Sandia National Laboratories w Departamencie Energii, zwany maszyną Z, wykorzystuje energię elektryczną zamiast laserów do kompresji izotopów wodoru i wytwarzania fuzji. Potrzebna byłaby znacznie większa wersja maszyny Z, aby wytworzyć więcej energii niż zużywa. Moses mówi, że NIF może osiągnąć korzyści w zakresie syntezy jądrowej w ciągu zaledwie dwóch do trzech lat, znacznie przed bardziej znanym projektem termojądrowym ITER w Cadarache we Francji, który prawdopodobnie nie będzie działał do 2018 roku. To było wielkie wyzwanie od dłuższego czasu , więc pycha jest najgorszą rzeczą, mówi Moses. Ale myślimy, że widzimy przez to drogę. Kiedy dostaniemy oparzenia [fusion] w 2010 lub 2011 roku, znajdziemy się w bardzo ekscytującym miejscu. Myślę, że świat obudzi się w możliwościach.

Mojżesz odnosi się głównie do możliwości oferowanych przez elektrownię termojądrową. Fuzja nie stwarza niebezpieczeństwa rozprzestrzeniania się energii jądrowej, wytwarza niewiele odpadów i wykorzystuje obfite źródła paliwa, dzięki czemu może zapewnić mnóstwo czystej energii przez wiele tysięcy lat. Niektórzy twierdzą, że paliwo – wodór – jest praktycznie nieograniczone, chociaż proponowane reaktory będą wykorzystywać tryt, izotop wodoru wytwarzany z litu, który jest rzadszy.

Obecny obiekt nie jest zbudowany do wytwarzania energii elektrycznej. Ale Moses mówi, że przy odpowiednim finansowaniu elektrownia wykorzystująca syntezę termojądrową z systemu takiego jak ten w NIF może działać za dekadę. Natomiast elektrownie oparte na maszynie Z w Sandii czy systemie ITER we Francji są oddalone o dziesięciolecia.

Inni eksperci są jednak bardziej sceptyczni. Jeśli NIF się powiedzie, nadal będzie bardzo daleko od przekształcenia tego w praktyczne źródło energii, mówi Ian Hutchinson , profesor i kierownik nauk i inżynierii jądrowej na MIT. Na przykład, mówi, elektrownia wymagałaby odpalania laserów znacznie częściej niż laserów NIF – od 5 do 10 razy na sekundę, a nie raz na kilka dni, jak to jest obecnie możliwe. (Każdy impuls uwolniłby energię równoważną około pięciu kilowatogodzinom energii elektrycznej: dla porównania, przeciętna elektrownia jądrowa wytwarza 12,4 miliarda kilowatogodzin rocznie, podczas gdy przeciętny dom wymaga około 1000 kilowatogodzin miesięcznie).

W przeciwieństwie do tego, ITER użyje magnetycznego zamknięcia gorącej plazmy do produkcji fuzji, systemu, który wytwarza ciągły strumień energii, który może być bardziej odpowiedni do generowania elektryczności niż bardzo krótkie impulsy energii wytwarzane przez NIF, mówi.

Niezależnie od tego, czy prowadzi to do elektrowni termojądrowych, NIF jest znaczący, mówi Stewart Prager , dyrektor Department of Energy’s Plasma Physics Laboratory na Uniwersytecie Princeton. Nauka, którą umożliwi, nie może być zrealizowana gdzie indziej, mówi.

ukryć