Cột mốc phản ứng tổng hợp laser của National Ignition Facility gây ra cuộc tranh luận

Vào ngày 8 tháng 192 năm ngoái, các nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở Hoa Kỳ đã sử dụng tia laser lớn nhất thế giới để thực hiện một thí nghiệm phá kỷ lục. Sử dụng 3.5 dầm của XNUMX tỷ đô la Cơ sở đánh lửa quốc gia (NIF) để cho nổ một viên nang có kích thước bằng hạt tiêu chứa deuterium và tritium, chúng khiến hai đồng vị hydro hợp nhất, tạo ra phản ứng tổng hợp tự duy trì trong một phần giây. Với quá trình giải phóng hơn 70% năng lượng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho tia laze, phát hiện này gợi ý rằng các tia laze khổng lồ có thể chưa tạo ra một nguồn năng lượng mới an toàn, sạch và về cơ bản là vô hạn.

Kết quả này khiến các nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Livermore có tâm trạng ăn mừng, sau hơn một thập kỷ đấu tranh để đạt được tiến bộ đáng kể. Nhưng sự phấn khích ban đầu nhanh chóng phai nhạt khi một số nỗ lực tiếp theo để tái tạo thành tích này không thành công – tốt nhất là chỉ tập hợp được một nửa sản lượng phá kỷ lục. Với việc ban lãnh đạo của Livermore đã quyết định chỉ thử một số thí nghiệm lặp lại, phòng thí nghiệm đã tạm dừng việc tìm kiếm điểm hòa vốn và thay vào đó cố gắng tìm ra nguyên nhân gây ra sự thay đổi về sản lượng.

Đối với những người chỉ trích NIF, việc điều chỉnh lộ trình mới nhất không gây ngạc nhiên, rõ ràng một lần nữa minh họa cho sự không phù hợp của cơ sở này với tư cách là cơ sở thử nghiệm để sản xuất năng lượng nhiệt hạch mạnh mẽ. Nhưng nhiều nhà khoa học vẫn lạc quan và bản thân các nhà nghiên cứu của NIF đã ra mặt đấu tranh, gần đây đã công bố kết quả từ bức ảnh kỷ lục của họ trong Physical Review Letters (129 075001). Họ khẳng định rằng rốt cuộc thì họ đã đạt được “sự đánh lửa”, đạt đến điểm mà tại đó sự nóng lên từ các phản ứng nhiệt hạch lớn hơn quá trình làm mát, tạo ra một vòng phản hồi tích cực làm tăng nhanh nhiệt độ plasma.

Omar Hurricane, nhà khoa học trưởng của chương trình nhiệt hạch của Livermore, khẳng định rằng định nghĩa đánh lửa dựa trên vật lý này – chứ không phải là mô tả “hòa vốn năng lượng” đơn giản – là định nghĩa thực sự quan trọng. Mô tả việc đạt được hòa vốn cuối cùng là “sự kiện quan hệ công chúng tiếp theo”, tuy nhiên, anh ấy nói rằng đó vẫn là một cột mốc quan trọng mà anh ấy và các đồng nghiệp của mình muốn đạt được. Thật vậy, các nhà vật lý ngoài phòng thí nghiệm Livermore tự tin rằng mục tiêu được thảo luận nhiều sẽ bị bắn trúng. steven hoa hồng tại Đại học Imperial ở Vương quốc Anh tin rằng sẽ đạt được mức hòa vốn “có mọi triển vọng”.

Ghi lại mức tăng

Cố gắng khai thác phản ứng tổng hợp liên quan đến việc làm nóng plasma các hạt nhân nhẹ đến điểm mà các hạt nhân đó vượt qua lực đẩy lẫn nhau của chúng và kết hợp để tạo thành một nguyên tố nặng hơn. Quá trình này tạo ra các hạt mới – trong trường hợp của đơteri và tritium, hạt nhân heli (hạt alpha) và neutron – cũng như lượng năng lượng khổng lồ. Nếu plasma có thể được giữ ở nhiệt độ và áp suất lớn phù hợp trong thời gian đủ lâu, thì các hạt alpha sẽ cung cấp đủ nhiệt để duy trì các phản ứng của chính chúng trong khi các neutron có khả năng bị chặn lại để cung cấp năng lượng cho tuabin hơi.

Tokamaks nhiệt hạch sử dụng từ trường để giam giữ các plasma trong thời gian khá dài. Thay vào đó, NIF, với tư cách là một thiết bị “giam hãm quán tính”, khai thác các điều kiện khắc nghiệt được tạo ra trong một khoảnh khắc thoáng qua bên trong một lượng nhỏ nhiên liệu nhiệt hạch được nén ở mức độ cao trước khi nó giãn nở trở lại. Nhiên liệu được đặt bên trong một viên nang hình cầu có đường kính 2 mm, nằm ở trung tâm của một “hohlraum” kim loại hình trụ dài khoảng 1 cm và phát nổ khi các chùm tia laze được định hướng chính xác của NIF chiếu vào bên trong của hohlraum và tạo ra một luồng khí. tia X.

Trái ngược với tokamaks, NIF không được thiết kế chủ yếu để chứng minh năng lượng mà thay vào đó dùng để kiểm tra các chương trình máy tính được sử dụng để mô phỏng các vụ nổ vũ khí hạt nhân – vì Hoa Kỳ đã ngừng thử nghiệm trực tiếp vào năm 1992. Tuy nhiên, sau khi bật lên vào năm 2009, nó sớm Rõ ràng là các chương trình được sử dụng để hướng dẫn các hoạt động của chính nó đã đánh giá thấp những khó khăn liên quan, đặc biệt là khi xử lý sự bất ổn định plasma và tạo ra các vụ nổ đối xứng phù hợp. Với việc NIF không đạt được mục tiêu ban đầu là đạt được sự đánh lửa vào năm 2012, Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia Hoa Kỳ, cơ quan giám sát phòng thí nghiệm, đã đặt mục tiêu đó sang một bên để tập trung vào nhiệm vụ tốn thời gian là hiểu rõ hơn về động lực của vụ nổ.

Vào đầu năm 2021, sau một loạt sửa đổi thử nghiệm, Hurricane và các đồng nghiệp cuối cùng đã cho thấy họ có thể sử dụng tia laze để tạo ra thứ được gọi là plasma đang cháy – trong đó nhiệt từ các hạt alpha vượt quá nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài. Sau đó, họ thực hiện một loạt các chỉnh sửa khác, bao gồm thu nhỏ các lỗ vào tia laser của hohlraum và giảm công suất cực đại của tia laser. Hiệu quả là chuyển một số năng lượng tia X sang sau đó trong lần bắn, làm tăng năng lượng truyền tới nhiên liệu hạt nhân – đẩy nó đủ cao để vượt qua tổn thất bức xạ và dẫn điện.

Vào tháng 2021 năm 210808, các nhà nghiên cứu của NIF đã ghi lại bức ảnh mang tính bước ngoặt “NXNUMX” của họ. Điểm nóng ở trung tâm của nhiên liệu trong trường hợp này có nhiệt độ khoảng 125 triệu kelvin và hiệu suất năng lượng là 1.37 MJ – cao hơn khoảng tám lần so với kết quả tốt nhất trước đây của họ, thu được hồi đầu năm. Năng suất mới này có nghĩa là “mức tăng mục tiêu” là 0.72 – khi so sánh với năng suất 1.97 MJ của laser – và “mức tăng viên nang” là 5.8 khi xem xét thay vào đó năng lượng được viên nang hấp thụ. 

Quan trọng hơn, liên quan đến Bão, thí nghiệm cũng thỏa mãn cái được gọi là tiêu chí Lawson để đánh lửa. Lần đầu tiên được đặt ra bởi kỹ sư và nhà vật lý John Lawson vào năm 1955, điều này quy định các điều kiện trong đó quá trình tự đốt nóng của phản ứng tổng hợp sẽ vượt quá năng lượng bị mất do dẫn truyền và bức xạ. Hurricane nói rằng các kết quả NIF thỏa mãn chín công thức khác nhau của tiêu chí đối với phản ứng tổng hợp giam cầm quán tính, qua đó chứng minh sự đánh lửa “không có gì mơ hồ”.

Ba bức ảnh và bạn ra ngoài

Sau phát súng kỷ lục, Hurricane và một số nhà khoa học đồng nghiệp của ông tại NIF rất muốn tái tạo thành công của họ. Nhưng quản lý của phòng thí nghiệm đã không nhiệt tình như vậy. Dựa theo Đánh dấu Herrmann, khi đó là phó giám đốc phụ trách vật lý vũ khí cơ bản của Livermore, một số nhóm làm việc đã được thành lập sau sự kiện N210808 để đánh giá các bước tiếp theo. Anh ấy nói rằng một nhóm quản lý bao gồm khoảng 10 chuyên gia trong lĩnh vực giam cầm theo quán tính đã tập hợp những phát hiện đó lại với nhau và vạch ra một kế hoạch, kế hoạch này đã được trình bày vào tháng XNUMX.

Herrmann nói rằng kế hoạch bao gồm ba phần – cố gắng tái tạo N210808; phân tích các điều kiện thử nghiệm cho phép phát súng phá kỷ lục; và cố gắng đạt được “sản lượng megajoule mạnh mẽ”. Thảo luận về điểm đầu tiên liên quan đến điều mà Herrmann mô tả là “rất nhiều ý kiến ​​khác nhau” trong số khoảng 100 nhà khoa học làm việc trong chương trình hợp hạch. Cuối cùng, do “nguồn lực hạn chế” và số lượng mục tiêu hạn chế trong lô chứa N210808, anh ấy nói rằng nhóm quản lý đã giải quyết chỉ bằng ba lần bắn bổ sung.

Bão có hồi ức hơi khác, nói rằng đã có bốn lần lặp lại. Ông nói, những thí nghiệm đó đã được thực hiện trong khoảng thời gian khoảng ba tháng và đạt được sản lượng dao động từ dưới XNUMX/XNUMX đến khoảng một nửa so với sản lượng đạt được vào tháng XNUMX. Nhưng anh ấy khẳng định rằng những cảnh quay này vẫn là “những thử nghiệm rất tốt”, đồng thời nói thêm rằng chúng cũng đáp ứng một số công thức của tiêu chí Lawson. Ông nói, sự khác biệt về hiệu suất “không phải là nhị phân như mọi người vẫn miêu tả”.

Quy trình phủ plasma là một công thức, vì vậy cũng giống như nướng bánh mì, không phải lần nào nó cũng giống nhau

Bão Omar

Về nguyên nhân gây ra sự thay đổi lớn về sản lượng này, Herrmann nói rằng giả thuyết hàng đầu là các lỗ rỗng và phân chia trong các viên nang nhiên liệu, được làm từ kim cương công nghiệp. Ông giải thích rằng những điểm không hoàn hảo này có thể được khuếch đại trong quá trình nổ, khiến viên kim cương đi vào điểm nóng. Cho rằng carbon có số nguyên tử cao hơn deuterium hoặc tritium, nó có thể bức xạ hiệu quả hơn nhiều, giúp làm mát điểm nóng và giảm hiệu suất. 

Hurricane đồng ý rằng viên kim cương có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc thay đổi hiệu suất của từng cảnh quay. Chỉ ra rằng các biến thể lớn về đầu ra có thể xảy ra do tính phi tuyến tính của các vụ nổ của NIF, ông nói rằng các nhà khoa học có liên quan không hiểu đầy đủ về quy trình phủ plasma được sử dụng trong quá trình chế tạo viên nang. Anh ấy nói: “Đó là một công thức, vì vậy cũng giống như việc nướng bánh mì, không phải lần nào nó cũng giống nhau.”

Con đường đến với năng lượng nhiệt hạch

Hurricane cho biết nhóm hiện đang nghiên cứu một số cách để nâng cao sản lượng của NIF bên cạnh việc cải thiện chất lượng viên nang. Chúng bao gồm thay đổi độ dày của viên nang, thay đổi kích thước hoặc hình học của hohlraum hoặc có thể tăng năng lượng xung laser lên khoảng 2.1 MJ để giảm độ chính xác cần thiết cho mục tiêu. Anh ấy nói rằng “không có con số kỳ diệu nào” khi nói đến mức tăng mục tiêu nhưng nói thêm rằng mức tăng càng cao thì không gian tham số có thể được khám phá khi thực hiện quản lý kho dự trữ càng lớn. Ông cũng chỉ ra rằng mức tăng 1 không có nghĩa là cơ sở đang tạo ra năng lượng ròng, do năng lượng điện tới mà tia laser chuyển đổi thành ánh sáng trên mục tiêu rất ít – trong trường hợp của NIF, dưới 1%.

Con đường dài để đánh lửa

Michael Campbell của Đại học Rochester ở Hoa Kỳ cho rằng NIF có thể đạt được mức tăng ít nhất 1 “trong 2–5 năm tới”, với những cải tiến phù hợp đối với hohlraum và mục tiêu. Nhưng anh ấy lập luận rằng để đạt được mức tăng liên quan đến thương mại là 50–100 có thể sẽ yêu cầu chuyển đổi từ “điều khiển gián tiếp” của NIF, tạo ra tia X để nén mục tiêu, sang “điều khiển trực tiếp” có khả năng hiệu quả hơn nhưng phức tạp hơn dựa trên bản thân bức xạ laze.

Mặc dù có thể cần đến vài tỷ đô la, Campbell vẫn lạc quan rằng một cơ sở truyền động trực tiếp phù hợp có thể chứng minh những lợi ích như vậy vào cuối những năm 2030 – đặc biệt, ông nói, nếu có sự tham gia của khu vực tư nhân. Nhưng ông cảnh báo rằng các nhà máy điện thương mại có thể sẽ không bắt đầu hoạt động cho đến ít nhất là giữa thế kỷ này. “Năng lượng nhiệt hạch là về lâu dài,” anh ấy nói, “Tôi nghĩ mọi người phải thực tế về những thách thức.”