Cu o explozie puternică cu laser, oamenii de știință se apropie de o piatră de hotar a fuziunii nucleare

Cu un puternic laser zap, oamenii de știință au ajuns la o piatră de hotar pentru fuziunea nucleară.

Un experiment de fuziune la cea mai mare instalație cu laser din lume a eliberat 1,3 milioane de jouli de energie, apropiindu-se de pragul de rentabilitate cunoscut sub numele de aprindere, unde fuziunea începe să elibereze mai multă energie decât este necesară pentru a o detona. Atingerea aprinderii ar întări speranțele că fuziunea ar putea servi într-o zi ca o sursă de energie curată și abundentă, un obiectiv spre care oamenii de știință s-au străduit să facă progrese (SN: 2/8/18).

Lovind o capsulă minusculă cu lasere de la National Ignition Facility, sau NIF, de la Lawrence Livermore National Laboratory din California, oamenii de știință au declanșat reacții de fuziune care au generat mai mult de 10 cvadrilioane de wați de putere peste 100 de trilioane de secunde. În total, experimentul, efectuat pe 8 august, a eliberat aproximativ 70 la sută din energia luminii laser folosită pentru a declanșa reacțiile de fuziune, punând instalația mult mai aproape de aprindere decât oricând înainte.

În special, deoarece capsula absoarbe doar o parte din energia totală a laserului concentrată asupra ei, reacțiile au produs de fapt mai multă energie decât au fost direct în aprinderea lor. „Aceasta, în principiu, este o performanță cu adevărat uimitoare”, spune fizicianul plasmei Carolyn Kuranz de la Universitatea din Michigan din Ann Arbor, care nu a fost implicat în cercetare. După această măsură, reacțiile de fuziune au produs de aproximativ cinci ori mai multă energie decât a fost absorbită.

„Este un rezultat cu adevărat interesant și nu era clar că NIF ar putea ajunge la acest rezultat”, spune Kuranz. De ani de zile, oamenii de știință NIF s-au străduit să ajungă la aprindere, dar au fost afectați de eșecuri (SN: 4/4/13). În timp ce noile rezultate nu au fost încă publicate într-un jurnal științific, oamenii de știință din NIF au făcut publice descoperirea lor după ce comunitatea științifică a ajuns la cunoștință și entuziasmul a crescut.

„Ma face foarte multă speranță… pentru fuziune în viitor”, spune Kuranz.

Fuziunea nucleară, același proces care alimentează soarele, ar fi o sursă atrăgătoare de energie pe Pământ, deoarece bifează mai multe casete pentru respectarea mediului: nu ar genera gaze cu efect de seră care încălzi clima sau deșeuri radioactive periculoase, cu viață lungă. În fuziunea nucleară, nucleele de hidrogen se topesc pentru a forma heliu, eliberând energie în acest proces. Dar fuziunea necesită temperaturi și presiuni extreme, ceea ce face dificil de controlat.

NIF nu este singurul în căutarea fuziunii. Alte proiecte, cum ar fi ITER, o instalație enormă în construcție în sudul Franței, folosesc diferite tehnici pentru a rezolva problema (SN: 1/27/16). Dar aceste eforturi au întâmpinat și dificultăți. Poate deloc surprinzător, controlul reacțiilor asemănătoare cu cele de la soare este o provocare, indiferent cum procedați.

În experimentele de fuziune ale NIF, 192 de fascicule laser converg către un cilindru mic care conține o capsulă de combustibil de mărimea unui boabe de piper. Când acea explozie puternică a laserului lovește cilindrul, raze X curg afară, vaporizând exteriorul capsulei și explodând combustibilul din interior. Acel combustibil este un amestec de deuteriu și tritiu, soiuri de hidrogen care conțin unul sau doi neutroni în nucleele lor atomice. Pe măsură ce combustibilul implodește, acesta atinge densitățile, temperaturile și presiunile extreme necesare pentru a topi hidrogenul în heliu. Acel heliu poate încălzi și mai mult restul combustibilului, ceea ce este cunoscut sub numele de încălzire alfa, declanșând o reacție în lanț de fuziune.

ilustrație cu lasere albastre care explodează o capsulă de combustibil
În experimentele de fuziune de la Instalația Națională de Aprindere, laserele (albastre în redarea acestui artist) explodează un cilindru minuscul care conține o capsulă de combustibil (sferă albă). Acest proces produce raze X care vaporizează exteriorul capsulei și comprimă combustibilul la presiuni și temperaturi extreme necesare pentru a conduce fuziunea.LLNL

Acest ultim pas este crucial pentru creșterea randamentului energetic. „Ce este nou la acest experiment este că am creat un sistem în care rata de încălzire alfa este mult mai mare decât am atins-o până acum”, spune fizicianul NIF Arthur Pak.

Oamenii de știință au navigat pe o varietate de mlaștini pentru a ajunge în această etapă. „Există o mulțime de probleme de fizică… pe care le-am confruntat și le-am atenuat”, spune Pak. De exemplu, cercetătorii s-au străduit să facă capsula să absoarbă mai multă energie, să elimine micile defecte ale capsulei și să regleze cu atenție impulsurile laser pentru a maximiza fuziunea.

În 2018, cercetătorii au început să vadă rezultatele acestor eforturi. NIF a atins o energie de fuziune record de 55.000 de jouli. Apoi, în primăvara lui 2021, NIF a atins 170.000 de jouli. Modificarea în continuare a designului experimentului, bănuiau oamenii de știință, ar putea crește și mai mult rezultatul. Dar noul experiment a depășit așteptările, producând energie de aproape opt ori mai mare decât efortul anterior.

Studiile ulterioare îi vor ajuta pe oamenii de știință NIF să determine exact modul în care schimbările lor au creat o energie atât de bogată și cum să îmbunătățească în continuare producția. Totuși, chiar dacă NIF realizează aprinderea cu drepturi depline, utilizarea fuziunii pentru a genera energie în scopuri practice este încă departe. „Va fi nevoie de o cantitate imensă de muncă pentru a transforma tehnologia într-o sursă viabilă de energie”, spune fizicianul cu plasmă laser Stuart Mangles de la Imperial College London, care nu a fost implicat în cercetare. „Cu toate acestea, aceasta este o etapă cu adevărat importantă pe drum.”