Se încălzește în încercarea de a ajunge la aprindere

Un puls laser care lovește rapid a dat viață nouă unui efort de miliarde de dolari de a genera cantități substanțiale de energie de fuziune.

Cele 192 de fascicule laser de la National Ignition Facility de 3,5 miliarde de dolari au declanșat acum reacții de fuziune care se susțin pentru scurt timp. Reacțiile, raportate pe 12 februarie în Natură, a produs de aproape 10 ori mai multă energie decât recordul anterior pentru cercetarea fuziunii cu laser. Dar încă nu pot recupera energia furnizată de cel mai puternic laser din lume.

„Este o piatră de hotar foarte importantă”, spune Steven Rose, un fizician al plasmei la Imperial College London. „Cu toate acestea, mai sunt multe alte repere de trecut.”

În 2009, oficialii NIF de la Laboratorul Național Lawrence Livermore din California erau mult mai încrezători. Simulările computerizate au sugerat că un impuls laser NIF ar putea comprima un strat de hidrogen înghețat dintr-o capsulă de plastic de mărimea unui boabe de piper până la o treizeci și cinci din dimensiunea sa originală. Presiunea extremă ar duce la creșterea temperaturii la 50 de milioane de grade Celsius, determinând perechile de nuclee de hidrogen să fuzioneze și să elibereze cumulativ mai multă energie decât laserele furnizate.

Dacă NIF ar fi atins acea piatră de hotar, cunoscută sub numele de aprindere, ar fi marcat prima dată când o reacție de fuziune controlată a generat mai multă energie decât a fost nevoie pentru a începe. „Mulți oameni au crezut că aceasta ar fi o plimbare în parc”, spune Robert McCrory, directorul Laboratorului de Energetică Laser al Universității din Rochester și un colaborator frecvent NIF.

Dar NIF nu s-a apropiat. Din motive necunoscute, combustibilul rezistă la compresiune, deformându-se adesea în forme bulboase și rupându-se înainte de a avea loc o mare fuziune (SN: 20.04.13, str. 26). „Mamei Natură nu-i place să pună multă energie în volume mici”, spune fizicianul Livermore Omar Hurricane. „Așa că se luptă cu tine.”

În mai 2013, fizicienii au luptat împotriva naturii schimbând sincronizarea pulsului laser. În loc să crească treptat energia laserului în încercarea de a atinge compresia maximă, cercetătorii au încercat să furnizeze un val inițial de energie mare pentru a conduce rapid combustibilul spre interior simetric înainte de a se putea rupe. Experimentele inițiale au arătat că acest așa-numit puls laser cu picior înalt ar putea depăși unele dintre problemele NIF.

Emoția a atins apogeul pe 27 septembrie, când cercetătorii au tras un impuls laser cu 1,8 milioane de jouli de energie către un mic cilindru de aur numit hohlraum care ținea capsula de plastic. Mai mult de 99 la sută din această energie s-a pierdut pe măsură ce a trecut de la laser la hohlraum la combustibilul din interiorul capsulei. Cu toate acestea, o infuzie de 11.000 de jouli a fost suficientă pentru a exploda combustibilul și a declanșa o serie de reacții de fuziune, transformând perechi de nuclee de hidrogen în neutroni energetici și nuclee de heliu cu mișcare rapidă. Heliul nou format s-a prăbușit apoi în mai multe nuclee de hidrogen, transferând căldură și stimulând mai multe reacții de fuziune.

În timpul celor 160 de trilioane de secundă de presiune și temperatură suficiente, au avut loc aproximativ 5.100 de trilioane de reacții de fuziune. Reacțiile au produs 14.000 de jouli – mai multă energie decât combustibilul absorbit. Este o premieră pentru orice experiment de fuziune cu laser. Cu toate acestea, este mult mai puțin de a compensa cei 1,8 milioane de jouli de la laser. Este analog cu obținerea unui randament solid la bursă, dar numai după ce brokerul a luat un comision de peste 99 la sută din investiția inițială. „Sună foarte modest și este, dar este mai aproape decât a ajuns oricine înainte”, spune Hurricane. „Acesta este un punct de cotitură major în multe dintre mințile noastre.”

O mare parte din optimismul lui Hurricane provine din faptul că aproximativ jumătate din cei 14.000 de jouli produși au rezultat din nucleele de heliu care încălzesc combustibilul din interior. NIF nu va atinge aprinderea, spune McCrory, cu excepția cazului în care heliul favorizează o reacție în lanț care crește exponențial viteza de fuziune. Un experiment recent, realizat prea târziu pentru a apărea în Natură hârtie, a produs aproape 10.000 de trilioane de reacții de fuziune – o cifră țintă pe care și-a urmărit-o Departamentul de Energie care supraveghează NIF – care a rezultat în mare parte din cauza autoîncălzirii.

Experimentele cu laser cu picior înalt marchează, de asemenea, prima dată când rezultatele din lumea reală se potrivesc în mare măsură cu predicțiile simulărilor pe computer. Rose spune că fizicienii nu mai lucrează orb atunci când iau în considerare idei noi pentru a se apropia de aprindere. „Dacă vrei vreodată să faci vreun progres, va trebui să faci asta cu ajutorul simulărilor pe care le crezi”, spune el. Rose crede că fizicienii au în sfârșit această încredere.

Pentru a face progrese, fizicienii trebuie să reducă comisionul de 99 la sută, astfel încât combustibilul să absoarbă mai mult din energia laserului, precum și să mărească rentabilitatea investiției prin atragerea unei mai multe auto-încălziri. Cercetătorii au o mulțime de idei de testat în simulări și experimente, inclusiv schimbarea formei hohlraum-ului, înlocuirea capsulelor de plastic cu unele făcute din diamant și modificarea în continuare a sincronizarii pulsului laser.

McCrory avertizează că NIF este încă departe de aprindere. Dar după mai bine de patru ani de frustrare, Hurricane și colegii săi simt în sfârșit că sunt pe drum. „Mulți oameni sunt încântați”, spune el.