Forsøgene med at skabe fusionsenergi med verdens største laser, National Ignition Facility (NIF), har hidtil været en fiasko. Det har ikke været muligt at opnå ‘ignition’, dvs. at få mere fusionsenergi ud end den energi, der går til at drive processen, selvom det skulle være sket senest i 2012.
Læs også: Nul fusionenergi ud af verdens kraftigste laser
Men ikke alt håb er ude. I to nye artikler i henholdsvis Physical Review Letters og Nature skriver Hye-Sook Park, Omar Hurricane og en række kolleger fra Lawrence Livermore National Laboratory i Californien, der er hjemsted for NIF, at en anden form for laserpuls end den, der hidtil været anvendt, har givet lovende resultater.
For første gang nogensinde er det lykkedes at få mere fusionsenergi ud af processen end den energi, som afsættes i materialet. I det bedste af de offentliggjorte resultater opnåede man en fusionsenergi på 17,3 kJ ved at overføre mellem 8,5 og 9,4 kJ til fusionsmaterialet.
Da kun en lille del af den samlede energi i hele systemet er overført til materialet, er der dog stadig samlet set tale om et energimæssigt underskud på ca. faktor 100 i processen. Alligevel er der tale om en velkommen og længe ventet succes for forsøgene med National Ignition Facility.
Med NIF beskyder man en lille pille indeholdende brint-isotoperne deuterium og tritium med en kort laserpuls med en effekt op til 500 terawatt og en samlet energi på ca. 2 megajoule. Det sammenpresser pillen, så deuterium og tritium fusionerer, og der frigives fusionsenergi. Processen er inspireret af Solen, men kan i virkeligheden bedre beskrives som en lille, kontrolleret brintbombe.
Steven Rose fra Imperial College i London skriver i en kommentar i internettidsskriftet Physics til resultaterne i Physical Review Letters, at den gode overensstemmelse mellem teori og eksperiment i det nye forsøg er helt afgørende, da det vil give mulighed for med større tiltro at arbejde hen mod et mål om at få større energi ud af forsøget, end der bruges som input.
I en kommentar i Nature skriver Mark Herrmann fra Sandia National Laboratories i USA, at det måske lovende ved eksperimentet er, at opvarmning af fusionsmaterialet fra de heliumkerner (alfapartikler), der dannes i fusionsprocessen, har givet et signifikant bidrag til fusionudbyttet.
Denne form for opvarmning vil være helt nødvendig at få bedre styr på, hvis det skal lykkes at øge udbyttet med den faktor, som er nødvendig for at opnå 'ignition'. Om det nogensinde vil lykkes, er noget mere usikkert, mener Mark Herrmann.
Omar Hurricane fra forskergruppen tør heller ikke selv komme med et bud på, om 'ignition' er mulig, og inden for hvilken tidshorisont det eventuelt kan lykkes.
En høj fod er bedre end en lav
En af de ting, som er med til at styre processen, er formen for laserpulsen. Hidtil har man fokuseret på en såkaldt lav-fods-puls, hvor effekten i pulsen kortvarigt (1-2 ns) i begyndelsen er 10 TW, hvorefter den de næste ca. 10 nanosekunder kun er godt 1TW. Herefter kommer der en meget kraftig effekt, der når op over 400 TW, før pulsen stopper efter yderligere ca. 10 nanosekunder.
I en ny høj-fods-puls begynder man med 40 TW og skruer kun ned til ca. 3 TW i et kortere tidsrum (ca. 6 ns), hvorefter den kraftigere puls begynder. Det kaldes en høj-fods-puls.
Med denne høj-fods-puls opnåede man i et eksperiment i august 2012 at få 2,4 x 10^15 frigivne neutroner med en samlet energi på ca. 8 kJ. Det resultat beskrives detaljeret i artiklen i Physical Review Letters.
I betragtning af, at laserenergien var 1,7 MJ, kan det synes som et pauvert resultat. Men da eksperimenterne stemmer med simulationer, er forskerne nu på rette kurs, mener Steven Rose. Han bemærker dog også, at det er for tidligt at sige, om det kan lykkes at opnå ‘ignition’ på denne måde.
Artiklen i Nature beskriver to eksperimenter fra september og november 2013, hvor det er lykkedes at presse citronen yderligere. Her nåede man op på 6,1 x 10^15 frigivne neutroner med en samlet energi på 17,3 kJ.
I forbindelse med en pressebriefing arrangeret af Nature oplyste en af de involverede forskere, Tammy Ma, at der, siden artiklen blev skrevet, er sket yderligere fremskridt, som de senere vil rapportere om.
Militært udgangspunkt
NIF blev bygget af to årsager. Dels for at lave forsøg med laserfusion til fredelige energiformål, dels for at amerikanerne kan vedligeholde deres kernevåben uden at foretage prøvesprængninger. Den første årsag hører man normalt mest om, mens den anden i virkeligheden var udslagsgivende.
Læs også: Årlig regning for at vedligeholde USA's kernevåben: 45 milliarder kroner
Tanken om at udnytte kompression ikke blot til bomber, men også til fredelig fusionsenergi opstod allerede i 1950’erne sideløbende med udviklingen af de første brintbomber. I brintbomber kommer energien til sammenpresning fra en fissionsbombe.
Læs også: Sådan laver man en brintbombe
En af de amerikanske våbendesignere, John Nuckolls, beskrev i 1998 udviklingen i de første år, hvor hovedprincipperne, der anvendes i dag, blev lagt fast bl.a. i samarbejde med brintbombens far, Edward Teller.
Edward Teller forestillede sig dog en kontrolleret eksplosion af en lille bombe i et stort hulrum indpakket i granit, mens John Nuckolls satte sig for at undersøge, hvordan man kunne sammenpresse et milligram af deuterium-tritium og altså benytte sig af en slags mikrobomber.
I en brintbombe bruger man en fissionsbombe til at lave kompressionen for deuterium og tritium. Det ville ikke være nødvendigt i Nuckolls design. I begyndelsen savnede man dog en effektiv måde til at foretage sammenpresningen. Men det varede ikke længe.
Ved opfindelsen af laseren i 1960 blev den beskrevet som en løsning, der manglede et problem.
Nuckolls havde problemet og nu også en løsning. Det var dog ikke noget, som offentligheden fik kendskab til, for al forskning inden for laserfusion foregik bag lukkede døre, da sammenhængen med militær forskning var indlysende.
Det var først, da John Nuckolls i en artikel i Nature i 1972 fik lov at beskrive principperne for laserfusion, at det mangeårige arbejde kom til offentlighedens kendskab.
Principper fra 1972 er videreført i NIF
Nuckoll anviste i et beregningseksempel, at en samlet inputenergi på 60 kJ overført til deuterium-tritium-blandingen skulle begynde med en relativ lav effekt (omkring 0,1 TW).
Effekten skulle vokse eksponentielt i løbet af 25 ns til ca. 1000 TW. Det skulle være nok til at sammenpresse en kugle indeholdende deuterium og tritium med en radius på 0,4 mm og give en fusionsenergi på 1,8 MJ.
Selv hvis man regner med, at kun 10 pct. af laserens energi omsættes til nyttig inputenergi, og 40 pct. af fusionsenergien kan konverteres til elektrisk effekt, vil der være overskud i processen.
Nuckolls forestillede sig, at et praktisk 1 GW elektrisk fusionkraftværk skulle anvende en laser med en energi på 1 MJ med 100 fusionsprocesser i sekundet.
Stort set efter principperne i denne artikel blev NIF designet med en laserenergi på 2 MJ.
Steven Rose gør dog opmærksom på, at forsøgene med NIF har vist, at det er umuligt at opnå den grad af kompression på 10.000 gange tætheden for flydende deuterium/tritium, som Nuckolls forestillede sig i 1972. Det er et af problemerne, der stadig hærger laserfusionsforskningen.
Hertil kommer en lang række praktiske problemer med håndteringen af den høje effekt i de optiske systemer.
Det har fået National Academies' National Research Council til at anbefale, at man også satser på andre teknologier end NIF-designet til laserfusion.
Læs også: Forskningsråd: Der er andre veje til laserfusion end verdens kraftigste laser
Problemernes betydning er mere usikker for militær forskning
Det er mindre usikkert, hvilken betydning NIF's problemer siden 2009 har haft for vedligeholdelsen af de amerikanske kernevåben. Her sammenligner man med forsøg ved NIF med computersimuleringer.
Omar Hurricane vil kun oplyse så meget, at alle former for eksperimenter ved forskellige tryk og temperaturer er værdifulde i den forbindelse.
»Og så må jeg nok hellere stoppe med at sige mere,« fortalte han ved pressebriefingen.
