Rozpalanie fuzji

Jest koniec kwietnia i pracownicy montują ostatnie części National Ignition Facility (NIF), rozległego budynku obejmującego obszar trzech boisk piłkarskich w Lawrence Livermore National Laboratory w Livermore w Kalifornii. Ubrani w twarde kapelusze, siatki na włosy, fartuchy laboratoryjne i lateksowe rękawiczki, zgromadzili się w komorze docelowej, kuli o średnicy 10 metrów i najeżonej 48 kanałami z polerowanego aluminium, które razem mieszczą 192 oddzielne wiązki laserowe. Każda pojedyncza wiązka jest jedną z najpotężniejszych na świecie, mówi Bruno Van Wonterghem, kierownik operacyjny w NIF. Razem dostarczają od 50 do 60 razy więcej energii niż jakikolwiek inny laser.

Pracownicy przygotowują się do zainstalowania kluczowego elementu wyposażenia – czujnika wyrównania celu – na końcu stożkowego wysięgnika, który można rozciągnąć do środka komory. Naukowcy wykorzystają czujnik do ustawienia złotego pojemnika wielkości gumki do ołówka na środku kuli i wyrównania go z wiązkami lasera. W serii eksperymentów w nadchodzących miesiącach, jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, te lasery uderzą w złoty pojemnik impulsem o długości od 3 do 20 nanosekund, generując kąpiel wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich. Te z kolei spowodują implozję dwumilimetrowej granulki zawierającej izotopy wodoru. Cała ta energia kinetyczna zostaje przekształcona w ciepło, mówi Van Wonterghem. Granulka wodoru osiągnie temperaturę 100 milionów stopni Celsjusza i gęstość 100 razy większą od ołowiu – wystarczającą do rozpoczęcia reakcji syntezy jądrowej.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2009

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Fuzja, w której jądra atomowe łączą się, tworząc atomy nowego pierwiastka, jest kluczową reakcją napędzającą bomby jądrowe i słońce. (W eksperymentach NIF izotopy wodoru łączą się, tworząc jądra helu, uwalniając neutrony i promieniowanie rentgenowskie.) Od dawna uważano go również za potencjalne źródło obfitej energii, gdyby tylko reakcje można było wykorzystać w kontrolowanym otoczeniu. To trudne, ponieważ plazma wystarczająco gorąca, aby jądra wodoru w niej się słączyły, jest tak gorąca, że ​​zniszczyłaby każdy materiał zabezpieczający. Naukowcy wymyślili dwa ogólne rozwiązania. Pierwszym i najbardziej głównym nurtem jest zamknięcie plazmy w silnym polu elektromagnetycznym. Tak właśnie ma się stać w wielonarodowym projekcie ITER o wartości 14 miliardów dolarów we Francji, który ma zacząć działać do 2018 roku.

NIF przyjmuje zupełnie inną strategię. Używając laserów do kompresji paliwa wodorowego, będzie naśladować ekstremalne ciepło i gęstość wewnątrz gwiazdy. Powstała reakcja syntezy jądrowej jest kontrolowana nie przez ograniczanie jej elektromagnetycznie, ale przez ograniczanie ilości paliwa. NIF wytworzy maleńką eksplozję termojądrową, tak małą, że można ją badać w 10-metrowej komorze. W rzeczywistości podstawową misją NIF jest rzucenie światła na fizykę wysokich temperatur i wysokiej gęstości, w tym reakcje w broni jądrowej, poprzez odtworzenie warunków wewnątrz gwiazd i bomb.

Multimedia

• Zapoznaj się z kulisami NIF.

Naukowcy debatują, które podejście będzie najbardziej przydatne do wytwarzania energii elektrycznej; jak dotąd jest za wcześnie, aby mieć pewność. Wydaje się jednak prawdopodobne, że NIF będzie pierwszym obiektem, który osiągnie znaczący kamień milowy w dążeniu do laserowej mocy syntezy jądrowej: zapłon samopodtrzymującej się reakcji, która wytwarza więcej energii niż zostało włożone przez laser. Wcześniejsze eksperymenty i symulacje komputerowe sugerują, że 192 lasery w NIF są wystarczająco silne i precyzyjne, aby wywołać taką reakcję łańcuchową – taką, która będzie się paliła aż do wyczerpania paliwa wodorowego.

Przed wykorzystaniem syntezy jądrowej do wytwarzania energii elektrycznej trzeba jeszcze sprostać ogromnym wyzwaniom. Ale osiągnięcie kontrolowanego spalania termojądrowego będzie niesamowitym wydarzeniem, mówi Edward Moses, główny zastępca dyrektora w Livermore, który odpowiada za NIF. Myślimy, że wkraczamy w nową erę.

Wypalanie laserów
Rozpalenie fuzji nie będzie łatwe. Wymaga urządzenia, które może zebrać ogromne ilości energii, ale kontrolować ją tak precyzyjnie, że może być wycelowana w cele mierzone w mikrometrach. To, mówi Ian Hutchinson, profesor nauk i inżynierii jądrowej na MIT, będzie niewiarygodnie imponującym osiągnięciem technologicznym.

Tego samego popołudnia, kiedy technicy pracowali nad instalacją czujnika ustawienia celu, inni zaczęli gromadzić się w sterowni obiektu z dużymi ekranami i grupami stacji roboczych. Przygotowują się do próbnego strzału lasera, bez śrutu fuzyjnego; ze względów bezpieczeństwa zaplanowano ją na noc, po tym, jak wnęki laserowe i komora docelowa zostaną oczyszczone z pracowników.

Wystrzelenie lasera wymaga ustawienia 60 000 różnych punktów kontrolnych. Van Wonterghem mówi, że sekwencja zdarzeń, które dostarczają impuls laserowy do celu, jest zbyt skomplikowana, aby mogła być kontrolowana przez człowieka, więc po wybraniu ustawień sieć 1500 komputerów przejmie kontrolę i przeprowadzi ostateczne odliczanie rękami badaczy. unoszący się w pobliżu wielu przycisków awaryjnego wyłączania rozmieszczonych w całym pomieszczeniu.

Jeśli to wszystko zadziała, lasery będą dostarczać impuls o mocy 500 razy większej niż szczytowa zdolność generowania elektryczności w Stanach Zjednoczonych. Impuls spowoduje zapłon termojądrowej eksplozji – zasadniczo tworząc maleńką gwiazdę.

Wzmacnianie
Zanim taki proces będzie mógł zostać wykorzystany do wytwarzania energii elektrycznej, pozostaną znaczne przeszkody. Oczekuje się, że reakcje fuzji wytworzą 10 do 20 razy więcej energii dostarczonej przez lasery. Ale to nie uwzględnia energii potrzebnej do wytworzenia laserów w pierwszej kolejności: przekształcanie energii elektrycznej w światło laserowe jest procesem nieefektywnym. Nadrabianie zmarnowanej energii i wytwarzanie wystarczającej ilości energii dodatkowej do generowania elektryczności wymagałoby reakcji syntezy jądrowej, które generują około 100 razy więcej energii dostarczanej przez lasery.

Przemawiając w zagraconym biurze w pobliżu NIF, Moses mówi, że istnieją co najmniej dwa potencjalne sposoby obejścia tego problemu. Jeden wymaga połączenia dwóch impulsów laserowych w procesie zwanym szybkim zapłonem. Teoretycznie może to zmniejszyć ilość energii lasera potrzebnej do zapłonu długotrwałej reakcji. Jednak NIF nie jest obecnie do tego skonfigurowany; jest to podejście, które zostanie przyjęte przez inne projekty fuzji laserowej, które są obecnie w budowie, a ostatecznie również przez NIF.

Inne podejście, mówi Moses, polega na połączeniu syntezy jądrowej z rozszczepieniem, reakcją stosowaną w konwencjonalnych elektrowniach jądrowych. Ta opcja nie oferuje takiej samej perspektywy niemal nieograniczonej energii, jak sama fuzja, ale może zwiększyć o rzędy wielkości ilość energii, którą można wydobyć z uranu, znacznie wzmacniając to i tak już obfite źródło paliwa. Jednocześnie może usunąć główny sprzeciw wobec rozszczepienia jądrowego, eliminując prawie wszystkie długożyciowe odpady radioaktywne, które zwykle wytwarza. W tej chwili otrzymujemy tylko od pół procenta do 1 procenta dostępnej energii, mówi Moses. Możemy wyjść ponad 99.

Naukowcy z NIF opracowali szczegółowy plan koncepcyjny łączenia w pary i rozszczepienia. Powodem, dla którego reaktory jądrowe zużywają tylko ułamek energii zawartej w uranie, jest to, że gdy produkty reakcji gromadzą się, w końcu zakłócają reakcje łańcuchowe potrzebne do dalszego wytwarzania energii. Fuzja może dostarczać strumień neutronów, które mogą podtrzymywać te reakcje, zużywając prawie całą energię w paliwie.

Oczywiście nie wszyscy zgadzają się, że laserowa energia termojądrowa zadziała. Niektórzy sceptycy kwestionują, czy w szczególności NIF może osiągnąć samopodtrzymującą się fuzję, twierdząc, że obiekt nie może wytworzyć wystarczająco wysokoenergetycznych impulsów laserowych bez uszkodzenia optyki laserowej lub utraty ścisłego skupienia na celu potrzebnym do równomiernego skompresowania paliwa. Nawet jeśli zakład osiągnie trwałą fuzję, wytwarzanie energii elektrycznej w elektrowni wymagałoby laserów, które mogłyby zapalić nowy pellet paliwowy od 10 do 15 razy na sekundę. Lasery NIF, które muszą być schładzane między strzałami, mogą być odpalane co najwyżej raz na dwie do czterech godzin. Nawet jeśli NIF odniesie taki sukces, jak się spodziewano, nadal będzie bardzo daleko od możliwości przekształcenia tego w praktyczne źródło energii, mówi Hutchinson.

NIF dostrzegł już pewne oznaki sukcesu. Na początku tego roku wszystkie 192 lasery zostały wystrzelone jednocześnie i osiągnęły poziom energii, który wystarczy do zapłonu fuzji. Mimo to wcześniejsze projekty laserowe w Livermore miały doprowadzić do zapłonu syntezy jądrowej, a nie. Chociaż od tego czasu wiele się nauczyłem, nie ma gwarancji, że tym razem zadziała. Dobrą wiadomością jest to, że naukowcy już niedługo się dowiedzą: po serii ujęć testowych mają nadzieję na sukces w ciągu najbliższych dwóch lat. Z niecierpliwością czekamy na wyniki, mówi Hutchinson.

ukryć