211service.com
Verdens største laser tænder
Det mest energiske lasersystem i verden, designet til at producere nuklear fusion - den samme reaktion, der driver solen - er i gang. Inden for to til tre år forventer forskerne at skabe fusionsreaktioner, der frigiver mere energi, end det tager at producere dem. Hvis de lykkes, vil det være første gang, det er blevet gjort på en kontrolleret måde - i et laboratorium snarere end en atombombe, det vil sige - og det kan i sidste ende føre til fusionskraftværker.
Fusion central: 192 lasere vil skyde gennem åbninger i dette sfæriske kammer og fokuserer nær spidsen af keglen, der rager ud fra højre. En medarbejder i et servicemodul kan ses til venstre.
Det Nationalt tændingsanlæg (NIF), ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), omfatter 192 lasere, der skyder samtidigt på præcis det samme punkt i rummet: en brændstofkugle to millimeter i diameter. De er designet til at levere 1,8 megajoule energi på få milliardtedele af et sekund. Det er nok til at komprimere brændstoffet til en plet på 50 mikrometer på tværs og varme det op til tre millioner grader Celsius. Laserne, som blev affyret sammen for første gang i sidste måned, har indtil videre produceret pulser på 1,1 megajoule.
Afhængigt af hvordan du tæller det, er det mellem 60 og 100 gange mere energisk end noget lasersystem, der nogensinde er blevet bygget, siger Edward Moses , den primære associerede direktør for NIF og Photon Science ved LLNL. Til sidst forventes fusionsreaktionerne produceret af hver puls at generere mindst 10 gange den energi, der leveres af laserne, en betydelig nettoforstærkning, der kunne være nyttig til at generere strøm.
Faciliteten på 3,5 milliarder dollar, som har været under udvikling i 15 år, blev primært finansieret som en måde at bedre forstå atomvåben efter et forbud mod test i 1990'erne. NIF vil producere bittesmå termonukleare eksplosioner, der giver videnskabsfolk indsigt i, hvad der sker, når en atombombe sprænger. Disse data kan til gengæld bruges til at verificere computersimuleringer, der hjælper med at afgøre, om USAs atomlager vil fortsætte med at fungere, efterhånden som våben bliver ældre. Dataene kunne også give indsigt i de processer, der driver solen og andre stjerner, og besvare andre videnskabelige spørgsmål. Endelig kunne NIF fungere som et proof-of-concept design for et fusionskraftværk.
For at generere fusion genereres 192 laserstråler, forstærkes, konverteres fra infrarødt til ultraviolet lys og rettes derefter mod en lille guldbeholder på størrelse med et blyantsviskelæder. Inde i den kanister er en kugle, der indeholder brændstoffet: to isotoper af brint kaldet deuterium og tritium. Laserne er placeret hele vejen rundt om kuglen for at skabe de temperaturer og tryk, der er nødvendige for at antænde en fusionsreaktion. Hvis alt går som planlagt, skulle nogle af brintatomerne smelte sammen, producere helium og frigive energi. Dette skulle til gengæld forårsage flere fusionsreaktioner, indtil brændstoffet løber tør. Hele processen vil tage blot et par milliardtedele af et sekund.
Innovativt glas: Glasset til laserens forstærkere blev lavet ved hjælp af teknikker udviklet specifikt til National Ignition Facility. Her er eksempler på smeltet og groft skåret neodym-doteret fosfatglas.
Forskere har skabt fusion i laboratoriet før, men deres eksperimenter krævede mere energi, end de producerede. For eksempel bruger et system ved Department of Energy's Sandia National Laboratories, kaldet Z-maskinen, elektricitet i stedet for lasere til at komprimere brintisotoper og producere fusion. En væsentligt større version af Z-maskinen ville være nødvendig for at generere mere energi, end den bruger. Moses siger, at NIF kan opnå fusionsgevinst på kun to til tre år, et godt stykke forud for det mere berømte ITER-fusionsprojekt i Cadarache, Frankrig, som sandsynligvis først vil være operationelt i 2018. Dette har været en stor udfordring i lang tid , så hybris er det værste, siger Moses. Men vi tror, vi ser vores vej igennem det. Når vi får en [fusion] forbrænding i 2010 eller 2011, vil vi være et meget spændende sted. Jeg tror, at verden vil vågne op til mulighederne.
Moses henviser hovedsageligt til de muligheder, et fusionskraftværk tilbyder. Fusion udgør ingen fare for nuklear spredning, producerer lidt affald og bruger rigelige kilder til brændstof, så det kan give masser af ren strøm i mange tusinde år. Nogle siger, at brændstoffet - brint - er praktisk talt ubegrænset, selvom foreslåede reaktorer vil bruge tritium, en brintisotop lavet af lithium, som er sjældnere.
Det nuværende anlæg er ikke bygget til at producere elektricitet. Men Moses siger, at med den rigtige finansiering kan et kraftværk, der bruger fusion fra et system som det hos NIF, køre om et årti. I modsætning hertil er kraftværker baseret på Z-maskinen i Sandia eller ITER-systemet i Frankrig årtier væk.
Andre eksperter er dog mere skeptiske. Hvis NIF lykkes, vil de stadig være meget langt fra at gøre dette til en praktisk energikilde, siger Ian Hutchinson , professor og leder af nuklear videnskab og teknik ved MIT. For eksempel, siger han, vil et kraftværk kræve, at laserne affyrer meget hyppigere end NIF-laserne - 5 til 10 gange i sekundet, snarere end en gang hvert par dage, som det er muligt nu. (Hvert udbrud ville frigive energi svarende til omkring fem kilowatt-timer elektricitet: Til sammenligning genererer et gennemsnitligt atomkraftværk 12,4 milliarder kilowatt-timer om året, mens et gennemsnitligt hus kræver omkring 1.000 kilowatt-timer om måneden.)
I modsætning hertil vil ITER bruge magnetisk indeslutning af varmt plasma til at producere fusion, et system, der producerer en kontinuerlig strøm af energi, der kunne være mere egnet til at generere elektricitet end de meget korte energiudbrud produceret af NIF, siger han.
Uanset om det fører til fusionskraftværker, er NIF væsentligt, siger Stewart Prager , direktør for Department of Energy's Plasma Physics Laboratory ved Princeton University. Den videnskab, det vil muliggøre, kan ikke laves andre steder, siger han.