211service.com
Världens största laser strömmar upp
Det mest energiska lasersystemet i världen, designat för att producera kärnfusion – samma reaktion som driver solen – är igång. Inom två till tre år förväntar sig forskarna att skapa fusionsreaktioner som frigör mer energi än det tar att producera dem. Om de lyckas kommer det att vara första gången detta har gjorts på ett kontrollerat sätt – i ett labb snarare än en kärnvapenbomb, det vill säga – och kan så småningom leda till fusionskraftverk.
Fusion central: 192 lasrar kommer att skjuta genom öppningar i denna sfäriska kammare, med fokus nära spetsen av konen som skjuter ut från höger. En arbetare i en servicemodul syns till vänster.
De Nationell tändningsanläggning (NIF), vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), omfattar 192 lasrar som skjuter samtidigt på exakt samma punkt i rymden: en sfär av bränsle som är två millimeter i diameter. De är designade för att leverera 1,8 megajoule energi på några miljarddelar av en sekund. Det räcker för att komprimera bränslet till en fläck på 50 mikrometer i diameter och värma upp det till tre miljoner grader Celsius. Lasrarna, som avfyrades tillsammans för första gången förra månaden, har hittills producerat pulser på 1,1 megajoule.
Beroende på hur du räknar det är det mellan 60 och 100 gånger mer energiskt än något lasersystem som någonsin har byggts, säger Edward Moses , den huvudsakliga biträdande direktören för NIF och Photon Science vid LLNL. Så småningom förväntas fusionsreaktionerna som produceras av varje puls generera minst 10 gånger den energi som levereras av lasrarna, en betydande nettovinst som kan vara användbar för att generera kraft.
Anläggningen på 3,5 miljarder dollar, som har varit under utveckling i 15 år, finansierades främst som ett sätt att bättre förstå kärnvapen, efter ett testförbud på 1990-talet. NIF kommer att producera små termonukleära explosioner som ger forskare insikt i vad som händer när en kärnvapenbomb går av. Dessa data kan i sin tur användas för att verifiera datorsimuleringar som hjälper till att avgöra om USA:s kärnkraftslager kommer att fortsätta att fungera när vapen åldras. Data kan också ge insikt i de processer som driver solen och andra stjärnor och svara på andra vetenskapliga frågor. Slutligen skulle NIF kunna fungera som en proof-of-concept-design för ett fusionskraftverk.
För att generera fusion genereras 192 laserstrålar, förstärks, omvandlas från infrarött till ultraviolett ljus och riktas sedan mot en liten guldkanister storleken på ett suddgummi. Inuti den kapseln finns en sfär som innehåller bränslet: två isotoper av väte som kallas deuterium och tritium. Lasrarna är placerade runt hela sfären för att skapa de temperaturer och tryck som behövs för att antända en fusionsreaktion. Om allt går som planerat bör några av väteatomerna smälta samman, producera helium och frigöra energi. Detta bör i sin tur orsaka fler fusionsreaktioner tills bränslet tar slut. Hela processen kommer att ta bara några miljarddelar av en sekund.
Innovativt glas: Glaset som behövs för laserns förstärkare gjordes med hjälp av tekniker som utvecklats specifikt för National Ignition Facility. Här är exempel på smält och grovskuret neodymdopat fosfatglas.
Forskare har skapat fusion i labbet tidigare, men deras experiment krävde mer energi än de producerade. Till exempel använder ett system vid Department of Energy's Sandia National Laboratories, kallat Z-maskinen, elektricitet istället för lasrar för att komprimera väteisotoper och producera fusion. En betydligt större version av Z-maskinen skulle behövas för att generera mer energi än den använder. Moses säger att NIF skulle kunna nå fusionsvinst på bara två till tre år, långt före det mer kända ITER-fusionsprojektet i Cadarache, Frankrike, som sannolikt inte kommer att vara i drift förrän 2018. Detta har varit en stor utmaning under lång tid , så hybris är det värsta, säger Moses. Men vi tror att vi ser oss igenom det. När vi får en [fusion] burn 2010 eller 2011, kommer vi att vara på en mycket spännande plats. Jag tror att världen kommer att vakna upp till möjligheterna.
Moses syftar främst på de möjligheter som ett fusionskraftverk erbjuder. Fusion utgör ingen fara för kärnvapenspridning, producerar lite avfall och använder rikliga källor av bränsle, så det kan ge massor av ren kraft i många tusen år. Vissa säger att bränslet - väte - är praktiskt taget obegränsat, även om föreslagna reaktorer kommer att använda tritium, en väteisotop gjord av litium, som är knappare.
Den nuvarande anläggningen är inte byggd för att generera el. Men Moses säger att med rätt finansiering kan ett kraftverk som använder fusion från ett system som det på NIF vara igång om ett decennium. Däremot ligger kraftverk baserade på Z-maskinen i Sandia eller ITER-systemet i Frankrike årtionden bort .
Andra experter är dock mer skeptiska. Om NIF lyckas kommer de fortfarande att vara väldigt långt ifrån att göra detta till en praktisk energikälla, säger Ian Hutchinson , professor och chef för kärnvetenskap och teknik vid MIT. Till exempel, säger han, skulle ett kraftverk kräva att lasrarna avfyrar mycket oftare än NIF-lasrarna – 5 till 10 gånger i sekunden, snarare än en gång varannan dag, vilket är möjligt nu. (Varje explosion skulle frigöra energi motsvarande cirka fem kilowattimmar el: som jämförelse genererar ett genomsnittligt kärnkraftverk 12,4 miljarder kilowattimmar per år, medan ett genomsnittligt hus kräver cirka 1 000 kilowattimmar per månad.)
Däremot kommer ITER att använda magnetisk inneslutning av varm plasma för att producera fusion, ett system som producerar en kontinuerlig ström av energi som skulle kunna vara mer lämpad för att generera elektricitet än de mycket korta skurarna av energi som produceras av NIF, säger han.
Oavsett om det leder till fusionskraftverk är NIF betydelsefullt, menar Stewart Prager , chef för Department of Energy's Plasma Physics Laboratory vid Princeton University. Den vetenskap den kommer att möjliggöra kan inte göras någon annanstans, säger han.