Anonim

Forskere annoncerer gennembrud i stræben efter fusionskraft

Energi

David Szondy

14. februar 2014

2 billeder

En metallisk sag kaldet et hohlraum indeholder brændstofkapslen til NIF-eksperimenterne (Foto: Eduard Dewald / LLNL)

I et perfekt eksempel på at slå sverd i plowshares, nåede et hold af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) National Ignition Facility (NIF) i Californien en milepæl i søgen efter praktisk fusionskraft ved hjælp af en proces designet til udvikling og afprøvning af atomvåben. Meddelelsen i den 12. februar udgave af Nature hævder, at holdet brugte verdens mest kraftfulde laserbarrage til at producere en kontrolleret fusionsreaktion, hvor mere energi blev ekstraheret fra brændstoffet, end det blev sat i det.

Hvis der er en ultimativ ingeniørdrøm, så er nuklear fusion næsten lige så tæt som man kan få. Ved at bogstavelig talt udnytte stjernens magt er det løftet om, hvad der for alle praktiske formål er ubegrænset ren energi. Siden menneskeskabt fusion først blev demonstreret i 1951 med et boostet fissionsvåben, har forskere og ingeniører arbejdet på en eller anden måde for at fremstille en praktisk fusionsreaktor i stedet for en brintbombe.

Historien om fusionsreaktoren er en af ​​både store fremskridt, men også konstant frustration. Da arbejdet begyndte, blev den første reaktor forudsagt at være 25 år væk. Siden da og frem til i dag er det stadig 25 år væk. Det er fordi, at selv om atomfusion er relativt simpel i teorien, er det ekstremt svært at få en kontrolleret reaktion, der startes uden for hjertet af en stjerne. Tricket er at nå "tændingspunktet", hvor den energi, der frigives af reaktoren, er større end hvad der er sat i den, og reaktionen bliver selvbærende.

En fusionsreaktor virker ved at simulere forholdene inde i solen. Simpelthen brænder hydrogenatomer i solen, fordi dens enorme masse squasher atomer sammen til dannelse af helium, frigør enorme mængder energi, da den stærke atomkraft, som holder dem adskilt, bliver overvundet. En brintbombe gør det samme, kun med en fissionsbombe, der skaber de nødvendige betingelser for en milliontedel af et sekund.

En fusionsreaktor skaber de rigtige tryk og temperaturer ved at tage et ioniseret plasma af hydrogenisotoperne deuterium eller tritium og klemme det ved hjælp af magnetfelter eller lasere for at afbryde reaktionen. Det er ikke overraskende, at dette kræver enorme mængder energi, som afsætter forskellige processer, der opvarmer plasmaet til utrolige temperaturer.

NIF-gennembrudet er ikke tænding, men det er et vigtigt vejpunkt. NIF-holdet opnåede det, der kaldes en "brændstofgevinst". Ved hjælp af en serie af 192 høj-energi lasere rettet mod en lille plastik kugle fyldt med en blanding af deuterium og tritium, udsatte forskerne dråbet af kryogen brændstof til 1, 9 megajoules lys for at producere sollignende temperaturer i en lille smule af et sekund . Resultatet var en fusionsreaktion, hvor energien i brændstoffet blev overskredet af den energi, der kom tilbage - noget, der indtil nu aldrig er opnået hvor som helst uden for en stjerne eller en brintbombe, og er ti gange større end noget som tidligere er set . Nøglen til dette er noget der hedder "boot-strapping ".

Boot-strapping virker ved at bruge alfa partikler, som er helium atomer strippet af deres elektroner. Normalt når en fusionsreaktion producerer sådanne partikler, skyder de af og bærer energi med dem. Ved bootstrapping fremstilles deuterium / tritiumblandingen for at fange alfapartiklerne, som opvarmer plasmaet mere og frigiver flere alfa-partikler for at forøge reaktionen.

Ifølge holdet var nøglen til boot-strapping at holde plastikskallen, der indeholder brændstoffet, fra at desintegreres under kompression under en høj-energi laserpuls ved at ændre timingen af ​​pulsen til at "bluse" den ablative plast, gør det mere modstandsdygtigt. Holdet mener, at denne opsplitning i tidligere tests hindrede reaktionen og ved at ændre laseren, de var i stand til at forhindre dette.

"Hvad er virkelig spændende er, at vi ser et stadigt stigende bidrag til udbyttet fra bootstrapping processen, vi kalder alfa-partikel selvopvarmning, da vi trykker implosionen lidt hårdere hver gang, siger Omar Hurricane, fører forfatter af holdets rapport.

Ironisk nok var elproduktion ikke holdets primære mål. NIF er designet til at levere hårde data til computermodeller, der simulerer eksplosionen af ​​et atomvåbenhoved som en del af det amerikanske program til at producere nye warheads og for at sikre, at de eksisterende lagre forbliver sikre og pålidelige. Indtil den omfattende konvention om atomforbudsforbud ville dette have været gjort ved hjælp af underjordiske testeksplosioner, men den amerikanske regering er nu afhængig af lasere og supercomputere til National Nuclear Security Administration's Stockpile Stewardship Program.

I sidste ende håber forskerne, at boot-strapping-processen vil føre til antændelse, men det forbliver i fremtiden, ligesom praktisk anvendelse i en fungerende kommerciel reaktor. I øjeblikket kan eksperimentet kun producere en nettovinst på ca. en procent. "Der er mere arbejde at lave og fysikproblemer, der skal løses, inden vi kommer til slutningen, " sagde orkanen, "men vores team arbejder på at løse alle udfordringerne, og det er et videnskabeligt hold trives på ".

Holdets resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Nature .

Kilde: Lawrence Livermore National Laboratory

En metallisk sag kaldet et hohlraum indeholder brændstofkapslen til NIF-eksperimenterne (Foto: Eduard Dewald / LLNL)

Mock up af en hohlraum bruges til at holde plastik kapsel (Billede: Lawrence livermore)

Anbefalet Redaktørens Valg