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

Foto: Lawrence Livermore National Laboratory/Science Photo Library

---

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.

Foto: Lawrence Livermore National Laboratory/Science Photo Library

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