Igniting Fusion

Det är slutet av april och arbetare håller på att montera de sista delarna av National Ignition Facility (NIF), en vidsträckt byggnad som täcker ytan av tre fotbollsplaner vid Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore, Kalifornien. Klädda i hårda hattar, hårnät, labbrockar och latexhandskar har de samlats vid målkammaren, en klot som är 10 meter i diameter och är full av 48 kanaler av polerat aluminium som tillsammans rymmer 192 separata laserstrålar. Varje balk för sig är en av världens mest kraftfulla, säger Bruno Van Wonterghem, verksamhetschef på NIF. Tillsammans levererar de 50 till 60 gånger energin från någon annan laser.

Arbetarna förbereder sig för att installera en viktig del av utrustningen – målinställningssensorn – i änden av en avsmalnande bom som kan förlängas in i mitten av kammaren. Forskare kommer att använda sensorn för att placera en guldbehållare i storleken av ett suddgummi i mitten av sfären och rikta in den mot laserstrålarna. I en serie experiment under de kommande månaderna, om allt går enligt plan, kommer dessa lasrar att träffa guldbehållaren med en puls på 3 till 20 nanosekunder och generera ett bad av högenergiröntgenstrålar. Dessa kommer i sin tur att få en pellet på två millimeter som innehåller väteisotoper att implodera. All den kinetiska energin omvandlas till värme, säger Van Wonterghem. Vätepelleten kommer att nå en temperatur på 100 miljoner °C och en densitet som är 100 gånger den för bly – tillräckligt för att starta en fusionsreaktion.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Fusion, där atomkärnor kombineras för att bilda atomer av ett nytt grundämne, är nyckelreaktionen som bränsle till kärnvapenbomber och solen. (I NIF-experimenten kombineras väteisotoper för att bilda heliumkärnor samtidigt som de frigör neutroner och röntgenstrålar.) Det har också länge hållits fram som en potentiell källa till riklig energi, om bara reaktionerna kunde utnyttjas i en kontrollerad miljö. Det är utmanande, eftersom en plasma som är tillräckligt varm för att vätekärnor i den ska smälta är så varm att den skulle förstöra allt inneslutningsmaterial. Forskare har tänkt ut två allmänna lösningar. Den första och mest vanliga är att begränsa plasman i ett kraftfullt elektromagnetiskt fält. Det är vad som är tänkt att hända vid det multinationella ITER-projektet på 14 miljarder dollar i Frankrike, som förväntas vara i drift 2018.

NIF tar en helt annan väg. Genom att använda lasrar för att komprimera vätebränslet kommer det att efterlikna den extrema värmen och densiteten inuti en stjärna. Den resulterande fusionsreaktionen kontrolleras inte genom att begränsa den elektromagnetiskt utan genom att begränsa mängden bränsle. NIF kommer att producera en liten termonukleär explosion, så liten att den kan studeras i en 10-meters kammare. Faktum är att NIF:s primära uppdrag är att belysa högtemperatur- och högdensitetsfysik, inklusive reaktionerna i kärnvapen, genom att återskapa förhållanden inuti stjärnor och bomber.

Multimedia

• Få en rundtur bakom kulisserna på NIF.

Forskare diskuterar vilket tillvägagångssätt som kommer att vara det mest användbara för att generera el; än så länge är det för tidigt att vara säker. Men det verkar troligt att NIF kommer att bli den första anläggningen att nå en betydande milstolpe i jakten på laserbaserad fusionskraft: antändningen av en självuppehållande reaktion som producerar mer energi än vad lasern lade in. Tidigare experiment och datorsimuleringar tyder på att de 192 lasrarna vid NIF är kraftfulla och precisa nog att starta en sådan kedjereaktion – en som kommer att fortsätta brinna tills vätebränslet tar slut.

Det finns fortfarande stora utmaningar att möta innan fusion kan utnyttjas för att generera el. Men att uppnå kontrollerad fusionsförbränning kommer att vara en otrolig händelse, säger Edward Moses, en huvudassistent på Livermore som är ansvarig för NIF. Vi tror att vi går till en ny era.

Avfyra laser
Att tända fusion kommer inte att vara lätt. Det kräver en anläggning som kan samla enorma mängder kraft men kontrollera den så exakt att den kan riktas mot mål som mäts i mikrometer. Det, säger Ian Hutchinson, professor i kärnvetenskap och teknik vid MIT, kommer att bli en otroligt imponerande teknisk bedrift.

Samma eftermiddag när tekniker arbetade med att installera måluppriktningssensorn har andra börjat samlas i anläggningens kontrollrum, med dess stora skärmar och kluster av arbetsstationer. De förbereder sig för ett testskott av lasern, minus fusionspellet; som en säkerhetsåtgärd har det planerats till natten, efter att anläggningens laserfack och målkammare har rensats från arbetare.

Att avfyra lasern kräver inställning av 60 000 olika kontrollpunkter. Händelsesekvensen som levererar laserpulsen till målet är för komplex för mänsklig kontroll, säger Van Wonterghem, så efter att inställningarna har valts kommer ett nätverk av 1 500 datorer att ta över och genomföra den sista nedräkningen, med forskarnas händer svävar nära de många nödavstängningsknapparna som finns i hela rummet.

Om allt fungerar kommer lasrarna att leverera en kraftpuls som är 500 gånger större än den maximala elgenererande kapaciteten i USA. Pulsen kommer att antända den termonukleära explosionen - i huvudsak skapar en liten stjärna.

Slår på
Betydande hinder kommer att kvarstå innan en sådan process kan användas för att generera el. Fusionsreaktionerna förväntas producera 10 till 20 gånger mängden energi som levereras av lasrarna. Men detta tar inte hänsyn till den energi som behövs för att tillverka lasrarna i första hand: att omvandla elektricitet till laserljus är en ineffektiv process. Att ta igen den bortkastade energin och producera tillräckligt med extra för att generera elektricitet, skulle kräva fusionsreaktioner som genererar cirka 100 gånger den energi som levereras av lasrarna.

På ett rörigt kontor nära NIF säger Moses att det finns åtminstone två möjliga sätt att komma runt det här problemet. Man kräver att man kombinerar två laserpulser i en process som kallas snabb tändning. I teorin kan detta minska mängden laserenergi som behövs för att antända en ihållande reaktion. NIF är dock för närvarande inte inrättat för detta; det är ett tillvägagångssätt som kommer att användas av andra laserfusionsprojekt som nu är under uppbyggnad, och så småningom även av NIF.

Det andra tillvägagångssättet, säger Moses, är att kombinera fusion med fission, reaktionen som används i konventionella kärnkraftverk. Det här alternativet erbjuder inte samma utsikter till nästan obegränsad energi som enbart fusion, men det kan öka mängden energi som kan utvinnas från uran i storleksordningar, vilket avsevärt förbättrar denna redan rikliga bränslekälla. Samtidigt skulle det kunna ta bort huvudinvändningen mot kärnklyvning genom att eliminera nästan allt långlivat radioaktivt avfall som det vanligtvis producerar. Just nu får vi bara en halv procent till 1 procent av den tillgängliga energin, säger Moses. Vi kan få ut 99-plus.

Forskarna vid NIF har tagit fram en detaljerad konceptuell plan för att para ihop fusion och fission. Anledningen till att kärnreaktorer bara använder en bråkdel av energin i uran är att när reaktionsprodukter ackumuleras stör de så småningom de kedjereaktioner som behövs för att fortsätta att generera kraft. Fusion kan tillföra en ström av neutroner som kan hålla dessa reaktioner igång och använda nästan all energi i bränslet.

För att vara säker är inte alla överens om att laserbaserad fusionskraft kommer att fungera. Och vissa skeptiker ifrågasätter om just NIF kan åstadkomma självförsörjande fusion, och menar att anläggningen inte kan producera tillräckligt högenergiska laserpulser utan att antingen skada laseroptiken eller tappa det snäva fokus på målet som behövs för att komprimera bränslet jämnt. Även om anläggningen uppnår uthållig fusion, skulle produktion av el i ett kraftverk kräva lasrar som kan antända en ny bränslepellet 10 till 15 gånger i sekunden. NIF-lasrarna, som måste kylas ner mellan skotten, kan avfyras högst en gång varannan till var fjärde timme. Även om NIF är så framgångsrikt som man hoppats kommer de fortfarande att vara väldigt långt ifrån att vara i stånd att omvandla detta till en praktisk energikälla, säger Hutchinson.

NIF har redan sett en del tecken på framgång. Tidigare i år avfyrades alla 192 lasrar på en gång och nådde energinivåer som kommer att räcka för att antända fusion. Ändå var det meningen att tidigare laserprojekt i Livermore skulle uppnå fusionständning och gjorde det inte. Även om mycket har lärt sig sedan dess, finns det ingen garanti för att det kommer att fungera den här gången. Den goda nyheten är att det inte kommer att dröja länge förrän forskarna vet: efter en serie testbilder hoppas de på framgång inom de kommande två åren. Vi ser fram emot att höra några resultat, säger Hutchinson.

Dölj