Exkluzivně: Zařízení pro laserovou fúzi směřuje zpět k rýsovacímu prknu

22/07/2022 Adam Walko 6 min read 183 Zobrazení laserová fúze, opravy, rýsovací prkno, termonukleární zbraně

Uvnitř cílové komory v americkém Národním zapalovacím zařízení vědci zaměřují 192 laserových paprsků na zlatou kapsli obsahující deuterium a tritium ve snaze dosáhnout jaderné fúze.

Američtí vědci vyhodnocují své možnosti poté, co se jim nepodařilo zopakovat rekordní experiment z roku 2021

Téměř před rokem oznámili vědci z největšího laserového fúzního zařízení na světě přelomový úspěch: překonal všechny rekordy a vytvořil, byť jen na zlomek vteřiny, energetickou fúzní reakci typu, který pohání hvězdy a termonukleární zbraně. Snahy o replikaci tohoto experimentu však selhávaly. Narure zjistilo, že začátkem tohoto roku výzkumníci v kalifornském zařízení změnili směr a přehodnotili svůj experimentální design.

Obrat událostí obnovil debatu o budoucnosti National Ignition Facility (NIF), zařízení v hodnotě 3,5 miliardy USD, které je umístěno v Lawrence Livermore National Laboratory a na které dohlíží Národní úřad pro jadernou bezpečnost (NNSA), pobočka USA. Ministerstvo energetiky, které spravuje jaderné zbraně. Primárním posláním NIF je vytvářet vysoce výnosné fúzní reakce a informovat o údržbě amerických zásob zbraní.

Rekordní laserový výstřel z 8. srpna 2021 podle některých opatření prokázal, že zařízení, které stálo mnohem více a vyneslo mnohem méně, než bylo původně slibováno, konečně splnilo své hlavní poslání. Opakované pokusy však přinesly v nejlepším případě 50 % energie vyrobené koncem minulého roku. Výzkumníci při pokusu o replikaci experimentu neočekávali hladkou plavbu, protože masivní zařízení nyní funguje na vrcholu fúzního „zapálení“, kde drobné, neúmyslné rozdíly mezi jedním experimentem a druhým mohou mít obrovský dopad na výstup. Nicméně pro mnohé neschopnost reprodukovat experiment z loňského srpna podtrhuje neschopnost výzkumníků porozumět, zkonstruovat a předvídat experimenty s těmito energiemi s přesností.

Omar Hurricane, hlavní vědec pro program inerciální fúze v Livermore, obhajoval posunout se vpřed se stávajícím experimentálním návrhem k prozkoumání tohoto energetického režimu, spíše než ustupovat a přeskupovat. „Skutečnost, že jsme to dokázali, je určitým důkazem existence, že to dokážeme,“ říká. „Naším problémem je, že to děláme opakovaně a spolehlivě.“ Říká však, že vedení programu se rozhodlo zastavit experimenty s replikací a zaměřit se na další kroky, které by mohly posunout NIF daleko za práh fúze a do zcela nového – a předvídatelnějšího – režimu, kde jsou výnosy výrazně vyšší než v srpnový experiment.

Někteří výzkumníci v komunitě dlouho zpochybňovali užitečnost NIF a pro ně celá epizoda zdůrazňuje pozoruhodné úspěchy zařízení – stejně jako jeho základní omezení. „Myslím, že by to měli nazývat úspěchem a přestat,“ říká Stephen Bodner, fyzik, který dříve vedl program laserové fúze v americké námořní výzkumné laboratoři ve Washingtonu DC. Bodner říká, že NIF je technologická slepá ulička a že je čas připravit se na laser nové generace, který by mohl otevřít dveře fúzní energii.

Hon na zapalování

NIF byl otevřen v roce 2009 s příslibem dosažení fúzního zapálení, což americká Národní akademie věd (NAS) definovala jako experiment, který generuje více energie, než spotřebuje. Poté, co v roce 2012 zmeškali počáteční termín dosažení zapálení, začali vědci z Livermoru desetiletí trvající úsilí o doladění systému (viz „Cesta k zapálení“). Konečně loni v srpnu, po sérii úprav aspektů zařízení, včetně laseru a zapalovacího cíle – zlaté kapsle obsahující zmrzlou peletu izotopů vodíku deuteria a tritia – došlo k průlomu.

Za méně než 4 miliardtiny sekundy dopravilo 192 laserových paprsků do cíle 1,9 megajoulů energie. Jak se pouzdro zhroutilo, izotopy vodíku v jádru pelety se začaly fúzovat na helium, uvolnily proud energie a vytvořily kaskádu reakcí, které nakonec uvolnily více než 1,3 megajoulů energie, přibližně 8násobek předchozího rekordu a 1 000- násobné zlepšení na prvních experimentech.

Ačkoli to nesplňovalo definici NAS o zážehu, výstřel vedl k vysoce výnosné fúzní reakci, která se bezpečně kvalifikovala jako vznícení podle kritérií používaných vědci z NIF. Hurikán tomu říká „moment bratří Wrightů“ a dokonce i nejtvrdší kritici NIF, včetně Bodnera, smekli klobouk.

V září vytvořili vedoucí programu inerciální fúze plán tří experimentů, aby zjistili, zda lze srpnový výsledek zopakovat. Experimenty začaly v říjnu a přinesly pouze 400–700 kilojoulů energie. Ačkoli tyto výsledky stále představují skokovou změnu v provozu NIF, nepřiblížily se srpnovém průlomu – ani nepřekonaly to, co vědci NIF popisují jako práh vznícení.

Hurricane říká, že týmová analýza těchto experimentů naznačuje, že nekonzistence ve výrobě cíle a nevyhnutelné posuny ve výkonu laseru kvůli jeho stáří způsobily nepatrné, ale důležité rozdíly ve tvaru imploze. „Chápeme, proč opakované záběry fungovaly tak, jak měly,“ říká, „ale stále se snažíme určit, co přesně na těchto technických aspektech potřebujeme lépe ovládat.“

Ve světle těchto výsledků Hurricane obhajoval další opakované experimenty, které by mohly být použity k lepšímu pochopení variability mezi výstřely. Vedoucí programu se však rozhodli jít dál a Hurricane říká, že tým nyní hledá způsoby, jak zvýšit energii laseru o více než 10%, a také upravit cíle, které by mohly tuto energii efektivněji využít.

Mark Herrmann, zástupce ředitele Livermore pro fyziku základních zbraní, říká, že laboratoř získala spoustu zpětné vazby od více než 100 vědců zapojených do programu. Zdůrazňuje ale, že dlouhodobým cílem je dosahovat výnosů o dva řády vyšších, než jaké se podařilo ještě loni v srpnu. „Dokud děláme dobré, pečlivé a systematické vědecké studie, je to z mého pohledu nejdůležitější,“ dodává.

Kritická zpráva

Do jisté míry se dalo očekávat, že se laboratoři nepodařilo zopakovat srpnový experiment, protože laser nyní funguje na „zážehovém útesu“, říká Riccardo Betti, který vede centrum laserové fúze na Univerzitě v Rochesteru v New Yorku a poskytuje nezávislé hodnocení experimentů na NIF. „Pokud jste na jedné straně útesu, můžete získat velké množství fúzního výstupu, a pokud jste na druhé straně útesu, dostanete velmi málo,“ říká. Laboratoř zatím nemá experimentální přesnost, aby předpověděla, na které straně daný experiment dopadne, říká.

Otázky týkající se fundamentální vědy a prediktivní kapacity byly středem utajovaného přehledu vědeckých příspěvků NIF k americkému programu jaderných zbraní, který loni poskytl NNSA nezávislý vědecký panel JASON, který radí vládě USA. V neutajovaném shrnutí zprávy, kterou Nature získala podle amerického zákona o svobodě informací, panel uznal schopnosti NIF, ale uvedl, že zařízení pravděpodobně v příštích několika letech nedosáhne „předvídatelného, reprodukovatelného zapálení“.

Zpráva byla dokončena a zveřejněna NNSA čtyři měsíce před srpnovým výstřelem a Hurricane a další tvrdili, že byla špatně načasovaná a příliš pesimistická.

Panelisté JASON ve své zprávě obhajovali zásadní přehodnocení programu a tato diskuse již začala v širší komunitě laserové fúze. Vědci z NIF a jinde zkoumají způsoby, jak překonfigurovat současný laser, zatímco jiní prosazují zcela nové návrhy, které by mohly poskytnout praktičtější cesty k fúzní energii.

Z jeho strany Hurikán nikam nespěchá. Tvrdí, že zařízení nyní funguje v klíčovém fúzním režimu, který bude užitečný pro pochopení a předpovídání spolehlivosti jaderných zbraní.

„Jakmile získáme více energie a více předvídatelnosti, trochu jste přeskočili zajímavou fyziku,“ říká Hurricane. „Pokud je vaším cílem porozumění a být lepšími vědci a správci [nukleárních zásob], pak je to režim, ve kterém můžete pracovat.“

Zdroj: Nature