Større atomfusionsmilepæl nået, da antænding blev udløst i et laboratorium

Antændelse er en nøgleproces, der forstærker energiproduktionen fra kernefusion og kan give ren energi og besvare nogle store fysikspørgsmål.

Et nyt eksperiment ser ud til at have udløst tænding for første gang, ved National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory i USA, genskabe de ekstreme temperaturer og tryk, der findes i Solens hjerte.

Dette har produceret mere energi end noget tidligere inertial indeslutning fusionseksperiment, og beviser antændelse er mulig, baner vejen for reaktioner, der producerer mere energi, end de behøver for at komme i gang.

Imperial College London-fysikere hjælper allerede med at analysere dataene fra det vellykkede eksperiment, som blev gennemført den 8. august 2021. Imperial har også produceret mere end 30 ph.d. studerende, der er gået i arbejde på NIF. Kollegiet bevarer stærke forbindelser med anlægget, og andre i hele verden, gennem Center for Inertial Fusion Studies (CIFS).

Et vigtigt skridt fremad

Meddirektør for Center for Inertial Fusion Studies ved Imperial, Professor Jeremy Chittenden, sagde, at "demonstration af antændelse har været en stor videnskabelig stor udfordring, siden ideen først blev offentliggjort for næsten 50 år siden. Det var hovedårsagen til konstruktionen af ​​NIF og har været dens primære mål i over et årti."

"Efter ti år med støt fremskridt mod at demonstrere tænding, resultaterne af eksperimenter i det sidste år har været mere spektakulære, da små forbedringer i fusionsenergiproduktionen forstærkes kraftigt af tændingsprocessen. Tempoet for forbedring af energiproduktionen har været hurtigt, tyder på, at vi snart kan nå flere energimilepæle, såsom at overskride energitilførslen fra de lasere, der blev brugt til at kickstarte processen."

"Dette er afgørende for at åbne op for løftet om fusionsenergi og give fysikere mulighed for at undersøge forholdene i nogle af de mest ekstreme tilstande i universet, inklusive dem kun få minutter efter Big Bang. Kontrolleret fusion i laboratoriet er en af ​​de afgørende videnskabelige store udfordringer i denne æra, og dette er et vigtigt skridt fremad."

Meddirektør for Center for Inertial Fusion Studies ved Imperial, Professor Steven Rose, sagde, at "NIF-holdet har gjort et ekstraordinært stykke arbejde. Dette er det mest betydningsfulde fremskridt inden for inertifusion siden begyndelsen i 1972."

"Det, der er opnået, har fuldstændig ændret fusionslandskabet, og vi kan nu se frem til at bruge antændt plasma til både videnskabelig opdagelse og energiproduktion."

At nå tænding

Den type kernereaktion, der driver de nuværende kraftværker, er fission - spaltning af atomer for at frigive energi. Fusion tvinger i stedet brintatomer sammen for at få energi, producerer en stor mængde energi, og, afgørende, begrænset radioaktivt affald.

Af denne grund, en måde at skabe effektive fusionsreaktioner på har været søgt i årtier for at producere ren energi ved brug af få ressourcer. Imidlertid, fusionsreaktioner har vist sig at være svære at kontrollere og til dato, intet fusionseksperiment har produceret mere energi end der er lagt i for at få reaktionen i gang.

Mens det seneste eksperiment stadig krævede mere energi ind, end det kom ud, det er den første til at nå det afgørende stadie af 'antændelse', som gjorde det muligt at producere betydeligt mere energi end nogensinde før, og baner vejen for 'break even', hvor energien ind matches af energien ud.

Der er to hovedmåder, hvorpå forskere verden over i øjeblikket forsøger at producere fusionsenergi. NIF fokuserer på inerti indeslutning fusion, som bruger et system af lasere til at opvarme brændstofpellets, der producerer et plasma - en sky af ladede ioner.

Brændstofpillerne indeholder 'tunge' versioner af brint - deuterium og tritium - som er lettere at smelte sammen og producere mere energi. Imidlertid, brændstofpillerne skal opvarmes og sættes under tryk til forhold, der findes i midten af ​​solen, som er en naturlig fusionsreaktor.

Når disse betingelser er opfyldt, fusionsreaktioner frigiver adskillige partikler, inklusive 'alfa'-partikler, som interagerer med det omgivende plasma og opvarmer det yderligere. Det opvarmede plasma frigiver derefter flere alfapartikler og så videre, i en selvopretholdende reaktion - en proces, der omtales som antændelse.

Imidlertid, denne proces er aldrig blevet fuldstændig realiseret før – indtil nu. Resultaterne fra forsøget den 8. august indikerer en energiproduktion på over en megajoule, som markerer den aftalte tærskel for begyndelsen af ​​'antænding' og er seks gange den tidligere højeste energi opnået.

Arthur Turrell, fra Institut for Fysik ved Imperial, og forfatter til den nyudgivne bog The Star Builders:Nuclear Fusion and the Race to Power the Planet , sagde, at "Dette fænomenale gennembrud bringer os forlokkende tæt på en demonstration af 'nettoenergigevinst' fra fusionsreaktioner - lige når planeten har brug for det."

"Holdet på National Ignition Facility, og deres partnere rundt om i verden, fortjener enhver ros for at have overvundet nogle af de mest frygtindgydende videnskabelige og tekniske udfordringer, som menneskeheden nogensinde har påtaget sig. Den ekstraordinære energifrigivelse, der opnås, vil styrke atomfusionsindsatsen over hele verden, giver momentum til en trend, der allerede var godt i gang."

Ukendt territorium

Professor Chittenden sagde, at "mens NIF primært er et fysikeksperiment, og har ikke hovedmålet at skabe fusionsenergi, dette utrolige resultat betyder, at denne drøm er tættere på at blive en realitet. Vi har nu bevist, at det er muligt at nå tænding, at give inspiration til andre laboratorier og nystartede virksomheder rundt om i verden, der arbejder med fusionsenergiproduktion for at forsøge at realisere de samme forhold ved hjælp af en enklere, mere robust og frem for alt billigere metode."

Imperial-teamet analyserer nu resultaterne af eksperimentet, ved hjælp af diagnostiske metoder, de har skabt for at forstå, hvad der sker under så ekstreme forhold. Dr. Brian Appelbe, Forskningsassistent i Center for Inertial Fusion Studies ved Imperial, sagde, at "NIF-laserne allerede skabte de mest ekstreme forhold på Jorden, men det nye eksperiment ser ud til at have fordoblet den tidligere opnåede temperatur. Vi er gået ind i et regime, vi tidligere aldrig har været i - dette er ukendt territorium i vores forståelse af plasma."

Dr. Aidan Crilly, Forskningsassistent i Center for Inertial Fusion Studies ved Imperial, tilføjede, at "gengivelse af forholdene i midten af ​​Solen vil give os mulighed for at studere tilstande af stof, vi aldrig har været i stand til at skabe i laboratoriet før, inklusive dem, der findes i stjerner og supernovaer."

"Vi kunne også få indsigt i kvantetilstande af stof og endda forhold tættere og tættere på begyndelsen af ​​Big Bang - jo varmere vi bliver, jo tættere vi kommer på den allerførste tilstand af universet."