• Sun. Nov 28th, 2021

PDF2DOCXFREE

Enkelt kan vara svårare än komplext

Hur ett laserfusionsexperiment släppte loss en energisk burst av optimism

Byadmin

Aug 17, 2021

Forskare har kommit tantande nära att återge solens kraft – om än bara i en fläck väte i en bråkdel av en sekund.

Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory rapporterade på tisdagen att genom att använda 192 gigantiska lasrar för att utplåna en pellet väte kunde de tända en skur på mer än 10 kvadrillion watt fusionskraft – energi som frigörs när väteatomer smälts in i helium, samma process som sker inom stjärnor.

Mark Herrmann, Livermores ställföreträdande programdirektör för grundläggande vapenfysik, jämförde verkligen fusionsreaktionen med de 170 kvadrilljoner solsken som badar jordens yta.

“Det handlar om tio procent av det”, sa Dr. Herrmann. Och all fusionsenergi kom från en het plats ungefär lika bred som ett människohår, sa han.

Men utbrottet-i huvudsak en miniatyrvätgasbomb-varade bara 100-biljoner sekunder av en sekund.

Ändå ledde det till en optimism för fusionsforskare som länge hoppats att fusion en dag kan ge en gränslös, ren energikälla för mänskligheten.

“Jag är väldigt upphetsad över det här”, säger Siegfried Glenzer, forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien, och som hade lett de första fusionsförsöken vid Livermore -anläggningen för flera år sedan men är för närvarande inte involverad i forskning. “Detta är mycket lovande för oss, att uppnå en energikälla på planeten som inte kommer att släppa ut koldioxid.”

Framgången innebar också ett ögonblick av inlösen för Livermores laserapparat i fotbollsstadion, som kallas National Ignition Facility, eller NIF Trots en investering på miljarder dollar-byggnationen startade 1997 och verksamheten började 2009-apparaten genererade ursprungligen knappast någon fusion alls. År 2014, forskare i Livermore äntligen rapporterat framgång, men energin som producerades då var liten-motsvarande vad en 60-watts glödlampa förbrukar på fem minuter.

Den 8 augusti var energisprånget mycket större – 70 procent lika mycket som energin från laserljus som träffade vätemålet. Det är fortfarande ett förlorande förslag som energikälla, som förbrukar mer kraft än den producerar. Men forskare är övertygade om att ytterligare hopp i energiproduktionen var möjliga med finjustering av experimentet.

Dr Herrmann sa att Livermore -forskare normalt inte skulle prata förrän efter att ett vetenskapligt papper som beskriver resultaten hade publicerats. Men dessa fynd “har spridit sig som en löpeld”, sa han, “och därför tyckte vi att det skulle vara bättre att lägga ut några fakta nu.”

Stephen Bodner, en pensionerad plasmafysiker som länge varit kritiker av NIF, gratulerade. “Jag är förvånad”, sa han. “De har kommit tillräckligt nära sitt mål om tändning och jämnhet för att kalla det en framgång.”

Mer lovande tycktes fusionsreaktionerna för första gången vara självbärande, vilket innebär att partikelströmmen som strömmar utåt från hetpunkten i mitten av pelleten upphettade omgivande väteatomer och fick dem att smälta också.

Riccardo Betti, chefsvetare vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics, gav en analogi till hur en bilmotor fungerar. “Du levererar energi i en mycket liten bråkdel av bränslet genom en gnista i tändstiftet, och sedan förstärks energin genom förbränningen av bränslet,” sa han. “Så, samma sak hände i Livermore -experimentet.”

Dr Herrmann var mer noggrann och noterade att resultaten inte var i linje med definitionen en rapport från National Academy of Sciences 1997, att den producerade fusionsenergin behövde överstiga energimängden som lasrarna levererar till vätet. “Vi är på tröskeln”, sa han.

Livermore -forskarna sa att de behövde analysera sina resultat mer noggrant innan de gjorde mer detaljerade påståenden.

Dr Glenzer sa dock att han var säker på att fusionen hade spridit sig. Fusionsreaktionerna producerade en ström av subatomära partiklar som kallas neutroner – mer än instrument kunde räkna.

“Uppgifterna är ganska uppenbara”, sa Dr. Glenzer.

De förbättrade fusionsresultaten hjälper också National Ignition Facility att uppfylla sin främsta användning – att verifiera att kärnvapen fungerar. Efter USA avbrutna kärnkraftsprov under jorden 1992, hävdade labbtjänstemän att något sätt behövdes för att verifiera datormodellerna som ersatte testning.

Dr Herrmann sade att inom 24 timmar efter det senaste experimentet kontaktade någon som arbetade med programmet för modernisering av kärnvapen NIF -teamet. “De är intresserade av att tillämpa detta på viktiga frågor som de har,” sa han.

I mitten av National Ignition Facility är målkammaren, en metallkula 33 fot bred med glänsande diagnostisk utrustning som strålar utåt.

Laserkomplexet fyller en byggnad med ett fotavtryck som motsvarar tre fotbollsplaner. Varje blast börjar med en liten laserpuls som delas via delvis reflekterande speglar i 192 strålar och studsar sedan fram och tillbaka genom laserförstärkare innan de konvergerar till en guldcylinder som är ungefär storleken och formen på en penna suddgummi.

Laserstrålarna kommer in i toppen och botten av cylindern och förångar den. Det genererar ett inre angrepp av röntgenstrålar som komprimerar en bränslepellet i BB-storlek av noggrant fryst deuterium och tritium, de tyngre formerna av väte. På ett kort ögonblick smälter de imploderande atomerna ihop.

Sedan de första lovande resultaten från 2014 har NIF -forskarna pysslat med installationen av experimentet. Kapslarna som innehåller vätet är nu gjorda av diamant istället för plast-inte för att diamanten är starkare utan för att den lättare absorberar röntgenstrålar. Forskarna justerade designen av guldcylindern och laserpulsen för att minimera instabilitet.

Forskarna har nu också bättre diagnostiska verktyg.

Efter år med bara blygsamma förbättringar började kombinationerna av modifieringar ge resultat, och beräkningarna indikerade att skottet 8 augusti kan tredubbla vad NIF hade producerat under våren. Istället var vinsten en faktor åtta, mycket mer än vad som hade förutsetts.

“Jag tror att alla blev förvånade”, sa Dr. Herrmann. En del av den aktuella analysen är att ta reda på vilka förändringar som fungerat så bra.

NIF i sig kan inte fungera som en plan för ett framtida kraftverk. Dess lasrar är ineffektiva, och den kan bara skjuta ungefär en gång om dagen. Ett lasersmältkraftverk skulle behöva förånga vätepellets med en hastighet av flera per sekund.

Dr Glenzer sa att SLAC arbetade med ett lasersystem som skulle fungera vid lägre effektnivåer men avfyra mycket snabbare. Han sa att han hoppades att fusion, som de senaste åren överskuggats av solenergi och annan energiteknik, åter skulle bli framträdande i ansträngningarna att ersätta fossila bränslen.

Den federala finansieringen för fusionsforskning är låg, även om Biden -administrationen har lagt vikt vid att minska klimatförändringarna.

“Ibland händer det, under det sämsta året av din finansiering får du de bästa resultaten”, sa Dr. Glenzer.

Även om Dr. Bodner föredrar ett alternativt tillvägagångssätt än det i det aktuella experimentet, sa han att NIF -resultatet pekade på en väg framåt.

“Det visar för skeptikern att det inte är något grundläggande fel med laserfusionskonceptet,” sa han. “Det är dags för USA att gå vidare med ett stort laserfusionsprogram.”

Lasrar är inte det enda tillvägagångssättet som syftar till att utnyttja fusion för framtida kraftverk.

Forskare har också använt munkformade reaktorer som kallas tokamaker som använder magnetfält för att innehålla och komprimera vätebränslet. I slutet av 1990 -talet kunde Joint European Torus -experimentet i England generera 16 miljoner watt fusionskraft för ett kort ögonblick, vilket gick cirka 70 procent av vägen till att producera så mycket ström som den förbrukade. Ett internationellt projekt som heter ITER bygger nu en större tokamakreaktor i Frankrike, planerad att starta 2025.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *