Igniting Fusion

Det er sidst i april, og arbejdere er ved at samle de sidste dele af National Ignition Facility (NIF), en vidtstrakt bygning, der dækker området med tre fodboldbaner ved Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore, CA. Klædt i hårde hatte, hårnet, laboratoriefrakker og latexhandsker har de samlet sig ved målkammeret, en kugle på 10 meter i diameter og strittende med 48 kanaler af poleret aluminium, der tilsammen huser 192 separate laserstråler. Hver bjælke er for sig selv en af ​​verdens mest kraftfulde, siger Bruno Van Wonterghem, driftsleder hos NIF. Sammen leverer de 50 til 60 gange energien af ​​enhver anden laser.

Arbejderne forbereder sig på at installere et vigtigt stykke udstyr - måljusteringssensoren - for enden af ​​en tilspidset bom, der kan forlænges ind i midten af ​​kammeret. Forskere vil bruge sensoren til at placere en guldbeholder på størrelse med et viskelæder i midten af ​​kuglen og justere den med laserstrålerne. I en række eksperimenter i løbet af de kommende måneder, hvis alt går efter planen, vil disse lasere ramme guldbeholderen med en puls på 3 til 20 nanosekunder og generere et bad af højenergi-røntgenstråler. Disse vil igen få en to-millimeter pellet indeholdende brintisotoper til at implodere. Al den kinetiske energi bliver omdannet til varme, siger Van Wonterghem. Brintpillen vil nå en temperatur på 100 millioner °C og en tæthed på 100 gange densitet for bly – nok til at starte en fusionsreaktion.

Denne historie var en del af vores juli 2009-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Fusion, hvor atomkerner kombineres for at danne atomer af et nyt grundstof, er nøglereaktionen, der giver næring til atombomber og solen. (I NIF-eksperimenterne kombineres brintisotoper for at danne heliumkerner, mens de frigiver neutroner og røntgenstråler.) Det er også længe blevet holdt frem som en potentiel kilde til rigelig energi, hvis bare reaktionerne kunne udnyttes i kontrollerede omgivelser. Det er udfordrende, fordi et plasma, der er varmt nok til, at brintkerner i det kan smelte sammen, er så varmt, at det ville ødelægge ethvert indeslutningsmateriale. Forskere har udtænkt to generelle løsninger. Den første og mest mainstream er at begrænse plasmaet i et kraftigt elektromagnetisk felt. Det er, hvad der formodes at ske ved det multinationale ITER-projekt på 14 milliarder dollars i Frankrig, som forventes at være operationelt i 2018.

NIF tager et fundamentalt andet tag. Ved at bruge lasere til at komprimere brintbrændstoffet vil det efterligne den ekstreme varme og tæthed inde i en stjerne. Den resulterende fusionsreaktion styres ikke ved at begrænse den elektromagnetisk, men ved at begrænse mængden af ​​brændstof. NIF vil producere en lille termonuklear eksplosion, så lille, at den kan studeres i et 10 meter langt kammer. Faktisk er NIF’s primære mission at kaste lys over højtemperatur- og højdensitetsfysik, herunder reaktionerne i atomvåben, ved at genskabe forhold inde i stjerner og bomber.

Multimedier

• Få en rundvisning bag kulisserne på NIF.

Forskere diskuterer, hvilken tilgang der vil være den mest nyttige til at generere elektricitet; indtil videre er det for tidligt at være sikker. Men det ser ud til at være sandsynligt, at NIF vil være det første anlæg til at nå en væsentlig milepæl i jagten på laserbaseret fusionskraft: antændelse af en selvopretholdende reaktion, der producerer mere energi, end laseren indsatte. Tidligere eksperimenter og computersimuleringer tyder på, at de 192 lasere på NIF er kraftige og præcise nok til at sætte gang i en sådan kædereaktion - en, der vil fortsætte med at brænde, indtil brintbrændstoffet løber tør.

Der er stadig store udfordringer, der skal løses, før fusion kan udnyttes til at generere elektricitet. Men at opnå kontrolleret fusionsforbrænding vil være en utrolig begivenhed, siger Edward Moses, en primær associeret direktør hos Livermore, som er ansvarlig for NIF. Vi tror, ​​vi kommer til en ny æra.

Affyring af lasere
At antænde fusion vil ikke være let. Det kræver et anlæg, der kan samle enorme mængder strøm, men kontrollere det så præcist, at det kan rettes mod mål målt i mikrometer. Det, siger Ian Hutchinson, professor i nuklear videnskab og teknik ved MIT, vil være en utrolig imponerende teknologisk præstation.

Samme eftermiddag, da teknikere arbejdede med at installere måljusteringssensoren, er andre begyndt at samles i anlæggets kontrolrum med dets store skærme og klynger af arbejdsstationer. De forbereder sig på et testbillede af laseren, minus fusionspellet; som en sikkerhedsforanstaltning er det planlagt til nat, efter at anlæggets laserbåse og målkammer er blevet ryddet for arbejdere.

Affyring af laseren kræver indstilling af 60.000 forskellige kontrolpunkter. Rækkefølgen af ​​hændelser, der leverer laserpulsen til målet, er for kompleks til menneskelig kontrol, siger Van Wonterghem, så efter indstillingerne er valgt, vil et netværk på 1.500 computere tage over og udføre den endelige nedtælling med forskernes hænder svævende nær de mange nødstopknapper, der er arrangeret i hele rummet.

Hvis det hele virker, vil laserne levere en strømpuls, der er 500 gange større end den maksimale elproduktionskapacitet i USA. Pulsen vil antænde den termonukleare eksplosion - i det væsentlige skabe en lille stjerne.

Tænder op
Der vil stadig være betydelige forhindringer, før en sådan proces kan bruges til at generere elektricitet. Fusionsreaktionerne forventes at producere 10 til 20 gange mængden af ​​energi leveret af laserne. Men dette tager ikke hensyn til den energi, der er nødvendig for at fremstille laserne i første omgang: at konvertere elektricitet til laserlys er en ineffektiv proces. At kompensere for den spildte energi og producere nok ekstra til at generere elektricitet ville kræve fusionsreaktioner, der genererer omkring 100 gange den energi, der leveres af laserne.

Mens han taler på et rodet kontor i nærheden af ​​NIF, siger Moses, at der er mindst to mulige måder at omgå dette problem på. Man kræver at kombinere to laserimpulser i en proces, der kaldes hurtig tænding. I teorien kan dette reducere mængden af ​​laserenergi, der er nødvendig for at antænde en vedvarende reaktion. NIF er dog ikke i øjeblikket sat op til dette; det er en tilgang, der vil blive taget af andre laserfusionsprojekter, der nu er under opførelse, og i sidste ende også af NIF.

Den anden tilgang, siger Moses, er at kombinere fusion med fission, den reaktion, der bruges i konventionelle atomkraftværker. Denne mulighed giver ikke den samme udsigt til næsten ubegrænset energi som fusion alene, men den kan øge mængden af ​​energi, der kan udvindes fra uran i størrelsesordener, hvilket i høj grad forbedrer denne allerede rigelige brændstofkilde. Samtidig kunne det fjerne hovedindsigelsen mod nuklear fission ved at fjerne næsten alt det langlivede radioaktive affald, det typisk producerer. Lige nu får vi kun en halv procent til 1 procent af den tilgængelige energi, siger Moses. Vi kan få 99-plus ud.

Forskerne ved NIF har udviklet en detaljeret konceptuel plan for parring af fusion og fission. Grunden til, at atomreaktorer kun bruger en brøkdel af energien i uran, er, at efterhånden som reaktionsprodukter akkumuleres, forstyrrer de til sidst de kædereaktioner, der er nødvendige for at blive ved med at generere strøm. Fusion kan levere en strøm af neutroner, der kan holde disse reaktioner i gang, og opbruge næsten al energien i brændstoffet.

Ganske vist er ikke alle enige om, at laserbaseret fusionskraft vil fungere. Og nogle skeptikere stiller spørgsmålstegn ved, om netop NIF kan opnå selvopretholdt fusion, og siger, at anlægget ikke kan producere tilstrækkeligt højenergi-laserimpulser uden enten at beskadige laseroptikken eller miste det stramme fokus på målet, der skal til for at komprimere brændstoffet jævnt. Selv hvis anlægget opnår vedvarende fusion, vil produktion af elektricitet i et kraftværk kræve lasere, der kan antænde en ny brændstofpille 10 til 15 gange i sekundet. NIF-laserne, som skal køles ned mellem skud, kan højst affyres en gang hver anden til fjerde time. Selvom NIF er så succesfuld som håbet, vil de stadig være meget langt fra at være i stand til at gøre dette til en praktisk energikilde, siger Hutchinson.

NIF har allerede set nogle tegn på succes. Tidligere i år blev alle 192 lasere affyret på én gang og nåede energiniveauer, der vil være nok til at antænde fusion. Alligevel skulle tidligere laserprojekter i Livermore opnå fusionsantændelse og gjorde det ikke. Selvom der er blevet lært meget siden da, er der ingen garanti for, at det vil virke denne gang. Den gode nyhed er, at det ikke varer længe, ​​før forskerne ved det: Efter en række testbilleder håber de på succes inden for de næste to år. Vi ser frem til at høre nogle resultater, siger Hutchinson.

skjule