Forskere finder nye måder at styre fusion med lasere og magnetiske felter på

Forestil dig, at du prøver at tilkalde solen til dit forskningslaboratorium.

Ja, du, store lysende stjerne! Tag din brændende varme, dramaet fra din kernes konstante kernefusion og dine off-the-chart energiniveauer med dig. Vi vil gerne vide, hvordan vi får denne fusionsenergi til at ske her på Jorden – efter behag og effektivt – så vi kan krydse "energiforsyning" fra vores liste over bekymringer for altid.

Men selvfølgelig kan solen faktisk ikke komme til laboratoriet. Den bor for langt væk - omkring 93 millioner miles - og den er alt for stor (ca. 864.000 miles i diameter). Det er også alt for varmt og tættere end noget andet på Jorden. Det er derfor, det kan opretholde de reaktioner, der genererer al den energi, der driver livet på Jorden.

Dette har selvfølgelig ikke afskrækket videnskabsmænd fra at forfølge deres søgen efter nuklear fusion.

I stedet har de fundet ekstraordinære måder - ved hjælp af intense lasere og brintbrændstof - til at producere ekstreme forhold som dem, der findes i solens kerne, hvilket producerer kernefusion i små 1 millimeter plastikkapsler. Denne tilgang kaldes "inertial indeslutningsfusion."

Udfordringen er at skabe et system, der genererer mere fusionsenergi, end der kræves for at skabe det.

Dette er usædvanligt udfordrende, fordi det kræver højpræcisionseksperimenter under ekstreme forhold, men forskere har gjort store fremskridt inden for den videnskab og teknologi, der kræves for at producere kontrolleret laboratoriefusion i de seneste årtier.

Nu forfølger University of Delaware-forsker Arijit Bose og hans samarbejdspartnere en lovende variation af denne tilgang. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Physical Review Letters .

De har påført kraftige magnetfelter på den laserdrevne implosion, hvilket kan give dem mulighed for at styre fusionsreaktioner på måder, som tidligere ikke var blevet udforsket i eksperimenter.

Bose, en assisterende professor i UD's Institut for Fysik og Astronomi, startede sit studie af kernefusion under forskerskolen ved University of Rochester.

Efter at have besøgt Laboratory for Laser Energetics i Rochester, hvor lasere bruges til at implodere sfæriske kapsler og skabe plasmaer, kendt som "inertial confinement fusion", fandt han et fokus for sin egen forskning.

"Fusion er det, der driver alt på Jorden," sagde han. "At have en miniaturesol på Jorden - en millimeterstor sol - det er der, fusionsreaktionen ville ske. Og det blæste mit sind."

Laserdrevet nuklear fusionsforskning har eksisteret i årtier, sagde Bose.

Det startede på Lawrence Livermore National Lab i 1970'erne. Livermore er nu vært for det største lasersystem i verden, på størrelse med tre fodboldbaner. Fusionsforskningen, der udføres der, bruger en indirekte tilgang. Lasere ledes ind i en lille 100 millimeter stor dåse med guld. De rammer dåsens indre overflade og producerer røntgenstråler, som derefter rammer målet – en lille kugle lavet af frosset deuterium og tritium – og opvarmer den til temperaturer nær solens kerne.

"Intet kan overleve det," sagde Bose. "Elektroner fjernes fra atomerne, og ionerne bevæger sig så hurtigt, at de kolliderer og smelter sammen."

Målet imploderer inden for et nanosekund - en milliardtedel af et sekund - først drevet af laseren og fortsætter derefter med at komprimere på sin egen inerti. Endelig udvider det sig på grund af det stigende centrale tryk forårsaget af kompressionen.

"At få en selvopvarmet fusionskædereaktion til at starte kaldes tænding," sagde Bose. "Vi er bemærkelsesværdigt tæt på at opnå tænding."

Forskere ved Livermore rapporterede om imponerende nye gevinster i denne indsats den 8. august.

Rochesters OMEGA-laseranlæg er mindre og bruges til at teste en direkte-drev-tilgang. Den proces bruger ingen gulddåse. I stedet rammer lasere målkuglen direkte.

Det nye stykke er det kraftige magnetfelt - i dette tilfælde styrker op til 50 Tesla - der bruges til at kontrollere de ladede partikler. Til sammenligning bruger typisk magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) magneter på omkring 3 Tesla. Og det magnetiske felt, der skærmer Jorden mod solvinden, er mange størrelsesordener mindre end 50T, sagde Bose.

"Du vil have kernerne til at smelte sammen," sagde Bose. "De magnetiske felter fanger de ladede partikler og får dem til at gå rundt om feltlinjerne. Det hjælper med at skabe kollisioner, og det hjælper med at booste fusion. Det er derfor, at tilføjelse af magnetiske felter har fordele for at producere fusionsenergi."

Fusion kræver ekstreme forhold, men det er blevet opnået, sagde Bose. Udfordringen er at få mere energiudgang end input, og magnetfelterne giver det skub, der kan gøre denne tilgang transformativ.

Eksperimenterne offentliggjort i Physical Review Letters blev udført, da Bose lavede postdoktoral forskning ved MIT's Plasma Science and Fusion Center. Det samarbejde fortsætter.

Bose sagde, at han blev tiltrukket af University of Delaware, delvist på grund af plasmafysikfokus i Institut for Fysik og Astronomi, herunder William Matthaeus, Michael Shay og Ben Maruca.

"De laver undersøgelser og analyser af data, der kommer fra NASAs solprogram og alle dets missioner," sagde han. "Vi udfører laboratorieastrofysiske eksperimenter, hvor disse fænomener nedskaleres i rum og tid til laboratoriet. Dette giver os et middel til at opklare nogle af de indviklede fysikspørgsmål, som NASA-missioner rejser."

Studerende er vigtige drivere for dette arbejde, sagde Bose, og deres karrierer kan se store fremskridt inden for dette nye studieområde.

"Det er en fascinerende del af videnskaben, og studerende er en meget vigtig del af arbejdsstyrkens udvikling for de nationale laboratorier," sagde han. "Studerende med erfaring i denne videnskab og teknologi ender ofte som videnskabsmænd og forskere på de nationale laboratorier."

Der er meget mere arbejde at gøre, sagde han.

"Vi har ikke en løsning i morgen. Men det, vi gør, er at bidrage til en løsning for ren energi." + Udforsk yderligere

Magnetiserende laserdrevne inertifusionsimplosioner