termonukleární zbraně

USA dosáhly rekordu v oblasti laserové fúze: co to znamená pro výzkum jaderných zbraní

22. 7. 2022 Adam Walko 7 min read 376 Zobrazení fúze, termonukleární reakce, termonukleární zbraně, USA

US NIF, zobrazená cílová komora má velikost tří amerických fotbalových hřišť.

Vědci doufají, že nedávný úspěch Národního zapalovacího zařízení přispěje k pochopení termonukleárních reakcí

Vědci z vlajkového laserového zařízení amerického ministerstva energetiky překonali na začátku tohoto měsíce svůj vlastní rekord tím, že během zlomku sekundy vyrobili více než 10 kvadrilionů wattů energie z jaderné syntézy, což je zhruba 700krát více, než je výrobní kapacita celé americké elektrické sítě v kterýkoli daný okamžik, napsal server Nature.

Zprávy o průlomu oživily naděje, že dlouhodobě neklidný National Ignition Facility (NIF) by mohl ještě dosáhnout svého cíle produkovat více energie, než spotřebuje při trvalé fúzní reakci.

Zařízení v hodnotě 3,5 miliardy USD, umístěné v Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii, nebylo navrženo tak, aby sloužilo jako prototyp elektrárny, ale spíše ke zkoumání fúzních reakcí v srdci termonukleárních zbraní. Poté, co Spojené státy na konci studené války v roce 1992 zakázaly podzemní jaderné zkoušky, navrhlo ministerstvo energetiky NIF jako součást většího vědecky založeného programu správy zásob, určeného k ověření spolehlivosti jaderných zbraní země, aniž by došlo k výbuchu jakékoli z nich. jim.

S průlomem laserové fúze z tohoto měsíce jsou vědci opatrně optimističtí, že NIF by mohl dostát svému slibu a pomoci fyzikům lépe porozumět zahájení jaderné fúze – a tím i detonaci jaderných zbraní. „To je pro nás v tuto chvíli skutečně vědecká otázka,“ říká Mark Herrmann, zástupce ředitele pro fyziku základních zbraní v Livermore. „Kam můžeme jít? Jak daleko můžeme jít?“

Příroda se zde dívá na dlouhou cestu NIF, na to, co pokrok znamená pro program správy energetického oddělení a co je před námi.

Jak NIF dosahuje jaderné fúze?

NIF je deset pater vysoký a rozprostírá se na ploše tří hřišť amerického fotbalu a ukrývá pole optiky a zrcadel, které zesilují a rozdělují počáteční puls fotonů na 192 ultrafialových laserových paprsků, které je nakonec zaostří na cíl, který je menší než guma na tužku. . Paprsky zasáhly cíl – zlatý válec – s energií přibližně 1,9 megajoulů za méně než 4 miliardtiny sekundy, čímž se vytvořily teploty a tlaky, které lze vidět pouze u hvězd a termonukleárních bomb.

Tváří v tvář této pulzní síle se válec, který obsahuje zmrzlou peletu deuteria a tritia, zhroutí, když se izotopy vodíku v jádru pelety zahřívají, spojují a vytvářejí jádra helia, neutrony a elektromagnetické záření. Cílem je rozpoutat kaskádu částic, která vede k větší fúzi a většímu množství částic, čímž se vytvoří trvalá fúzní reakce; podle definice k „vznícení“ dochází, když fúzní reakce generuje více energie, než spotřebuje. Předběžné výsledky experimentu z 8. srpna naznačují, že fúzní reakce vytvořily rekordních 70 % energie, která byla do experimentu vložena – téměř dosáhla vznícení.

NIF zahájil činnost v roce 2009. Proč trvalo tak dlouho, než bylo (téměř) dosaženo zapálení?

Nikdo neřekl, že to bude snadné, ale vybudování NIF se ukázalo být složitějším úsilím, než si úředníci původně mysleli. Stavba začala v roce 1997 a skončila o více než deset let později, s několikaletým zpožděním oproti plánu a nejméně 2,4 miliardy dolarů přes rozpočet.

NIF nesplnil svůj cíl dosáhnout zapálení do roku 2012; vědci strávili roky od dolaďování zařízení a zavádění optimalizovaných cílů do reakční komory. Nedávného úspěchu bylo dosaženo po několika změnách masivního systému, včetně nové diagnostiky, vylepšených technik výroby terče a vylepšení přesnosti laserů.

NIF zaměřuje 192 laserových paprsků na cíl a vytváří teploty a tlaky podobné těm uvnitř termonukleárních bomb.

Dlouho předtím, než NIF vypálila svůj první výstřel, byla obklopena kontroverzí. Nezávislí vědci vznesli otázky jak o designu, tak o řízení zařízení. Ještě v květnu 2016 se americký Národní úřad pro jadernou bezpečnost (NNSA), pobočka ministerstva energetiky (DOE), která dohlíží na jaderné zbraně a financuje NIF ve výši přibližně 350 milionů dolarů ročně, zeptal, zda by zařízení někdy dosáhnout svého cíle zapálení.

Ale i dlouholetí kritici zařízení uznali nedávný průlom jako významný krok vpřed. Stephen Bodner, plazmový fyzik, který dříve pracoval v US Naval Research Laboratory ve Washingtonu DC, řekl, že je výsledkem „překvapený a potěšený“ – za předpokladu, že je reprodukovatelný. „Těším se, až si přečtu vědeckou zprávu, která to vysvětluje,“ říká.

Tým z Livermore a jeho spolupracovníci se teprve začínají zabývat výsledky, ale předběžné údaje naznačují 8násobný nárůst energetického výnosu ve srovnání s experimenty provedenými před několika měsíci a 25násobný nárůst ve srovnání s dříve hlášeným rekordem z roku 2018. Představitelé laboratoře uvedli, že o experimentu informovali ještě před jeho publikací, protože zprávy o výsledcích se již šířily fúzní komunitou.

Pokud NIF dosáhne plného zapálení, co by výsledky mohly vědce naučit o jaderných zbraních?

Teoreticky by NIF mohla nabídnout lepší pochopení přesných podmínek nezbytných k zahájení a udržení fúzní reakce – což je v jistém smyslu to, na čem vědci zařízení pracovali, když optimalizovali systém za posledních 12 let. Tato otázka je také jádrem programu správy zásob.

Od roku 1992 fyzici budují komplexní program pro studium amerického jaderného arzenálu se stále výkonnějšími superpočítači a desítkami dalších výzkumných zařízení určených k testování všeho od jaderných materiálů a komponentů až po výbušniny. Ačkoli NIF nedetonuje miniaturní bomby, říká Herrmann, jeho experimenty by mohly pomoci vědcům zlepšit počítačové modely, které používají k simulaci toho, jak budou zbraně detonovat, což potenciálně snižuje nejistoty. Další experimenty by mohly otestovat, jak elektronika a další součásti ve zbrani obstojí tváří v tvář intenzivním výbuchům záření očekávaným v nepřátelském válečném prostředí.

Mnoho vědců tvrdí, že zařízení také posiluje důvěru v národní zásoby zbraní – a odvrací vnější hrozby – tím, že pomáhá přilákat mladé výzkumníky do jaderné oblasti a udržuje širší vědecký podnik. „Důležitý je také celkový prvek prokazování vědecké zdatnosti,“ říká Herrmann.

Je však NIF zásadní pro americký program správy zásob?

Někteří kritici se ptali, zda vědci potřebují zařízení k údržbě jaderných zbraní Spojených států. Říkají, že správcovský program již posílil důvěru v zásobu v NNSA, a poukazují na to, že agentura nyní navrhuje vyrobit něco, co jsou skutečně nové jaderné zbraně, spíše než jen udržovat současnou schránku s minimálními změnami.

„To ukazuje buď obrovské množství arogance, nebo neuvěřitelnou důvěru, že dokážete vybudovat spoustu z toho, co potřebujeme na příštích 50 let, i bez fungujícího NIF,“ říká Hans Kristensen, který vede projekt jaderných informací ve Federaci. amerických vědců ve Washingtonu DC.

Herrmann však tvrdí, že NIF může stále pomoci. Říká, že vědci zabývající se jadernými zbraněmi neustále extrapolují z omezených experimentálních dat, když vyhodnocují své počítačové simulace. Informace shromážděné z energičtějších fúzních reakcí na NIF, říká, jim umožní testovat modely příměji, doufejme, že sníží nejistoty a usnadní NNSA certifikaci, že zbraně v arzenálu vybuchnou v případě potřeby, a ne dříve.

Co se tedy stane s NIF dál?

Konečný test – zda tým dokáže zopakovat svůj úspěch z 8. srpna – by mohl přijít již v říjnu, říkají představitelé laboratoře. Mezitím vědci spěchají, aby pochopili a zveřejnili svá zjištění. Protože zařízení funguje na vědecké hranici toho, co je možné, i malé odchylky ve výrobě cílové kapsle nebo ladění laserů by mohly způsobit, že systém bude produkovat více nebo méně energie než předchozí experiment, říká Herrmann. „Nemůžeme provést přesně stejný cílový experiment, protože jsme cíl vyhodili do vzduchu,“ říká. Ale časem, dodává, by měl být vědecký tým schopen tento úspěch zopakovat a stavět na něm – a posunout zařízení ještě dále.

Zdroj: Nature

Exkluzivně: Zařízení pro laserovou fúzi směřuje zpět k rýsovacímu prknu

22. 7. 2022 Adam Walko 6 min read 284 Zobrazení laserová fúze, opravy, rýsovací prkno, termonukleární zbraně

Technologie Zajímavosti

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