Nasjonalt tenningsanlegg - National Ignition Facility
The National Ignition Facility ( NIF ), er en stor laser -basert treghet sperring fusjon (ICF) forskning innretning, som ligger ved Lawrence Livermore National Laboratory i Livermore, California . NIF bruker lasere til å varme opp og komprimere en liten mengde hydrogendrivstoff for å indusere kjernefusjonsreaksjoner . NIFs oppgave er å oppnå fusjonsantennelse med høy energiøkning , og å støtte vedlikehold og design av atomvåpen ved å studere oppførselen til materie under forholdene som finnes innenfor atomvåpen. NIF er den største og mest energiske ICF -enheten som er bygget hittil, og den største laseren i verden.
Grunnkonseptet for alle ICF-enheter er å raskt kollapse en liten mengde drivstoff slik at trykket og temperaturen når fusjonsrelevante forhold. NIF gjør dette ved å varme det ytre laget av en liten plastkule med verdens mest energiske laser . Energien fra laseren er så intens at den får plasten til å eksplodere og presse ned på drivstoffet inne. Hastigheten på denne prosessen er enorm, med drivstoffet som når en topp på rundt 350 km/s, og øker tettheten fra omtrent vannets til omtrent 100 ganger bly . Tilførsel av energi og den adiabatiske prosessen under kollaps øker temperaturen på drivstoffet til hundrevis av millioner grader. Ved disse temperaturene skjer fusjonsprosesser veldig raskt, før energien som genereres i drivstoffet får det til å eksplodere utover også.
Byggingen av NIF begynte i 1997, men ledelsesproblemer og tekniske forsinkelser bremset utviklingen tidlig på 2000 -tallet. Fremgangen etter 2000 var jevnere, men sammenlignet med de første estimatene ble NIF ferdigstilt fem år etter planen og var nesten fire ganger dyrere enn opprinnelig budsjettert. Byggingen ble sertifisert fullført 31. mars 2009 av det amerikanske energidepartementet , og en dedikasjonsseremoni fant sted 29. mai 2009. De første lasermålforsøkene i stor skala ble utført i juni 2009 og de første "integrerte tenningseksperimentene" (som testet laserens effekt) ble erklært fullført i oktober 2010.
Å bringe systemet til sitt fulle potensial var en langvarig prosess som ble utført fra 2009 til 2012. I løpet av denne perioden ble det utført en rekke eksperimenter i prosessen under National Ignition Campaign, med målet om å nå tenning like etter at laseren nådde full strøm, en gang i andre halvdel av 2012. Kampanjen avsluttet offisielt i september 2012, med omtrent 1 ⁄ 10 betingelsene som var nødvendige for tenning. Siden 2012 har NIF hovedsakelig blitt brukt til materialvitenskap og våpenforskning. I 2021, etter mange års forskning innen drivstoffmåldesign, produserte NIF 70% av laserens energi og slo rekorden i 1997 av JET -reaktoren til 67%.
Beskrivelse
Grunnleggende om ICF
Inertial confinement fusion (ICF) -enheter bruker drivere til raskt å varme de ytre lagene av et mål for å komprimere det. Målet er en liten sfærisk pellet som inneholder noen få milligram fusjonsbrensel, vanligvis en blanding av deuterium (D) og tritium (T). Laserens energi varmer opp overflaten av pelleten til et plasma , som eksploderer av overflaten. Den gjenværende delen av målet blir drevet innover, og til slutt komprimeres det til et lite punkt med ekstremt høy tetthet. Den raske blowoffen skaper også en sjokkbølge som beveger seg mot midten av det komprimerte drivstoffet fra alle sider. Når det når midten av drivstoffet, blir et lite volum ytterligere oppvarmet og komprimert i større grad. Når temperaturen og tettheten til det lille stedet økes høyt nok, oppstår fusjonsreaksjoner og frigjør energi.
Fusjonsreaksjonene frigjør høyenergipartikler, hvorav noen, hovedsakelig alfapartikler , kolliderer med det omkringliggende drivstoffet med høy tetthet og oppvarmer det videre. Hvis denne prosessen avsetter nok energi i et gitt område, kan det føre til at drivstoffet også gjennomgår fusjon. Imidlertid mister drivstoffet også varme gjennom røntgentap og varme elektroner som forlater drivstoffområdet, så alfaoppvarmingshastigheten må være større enn disse tapene, en tilstand som kalles bootstrapping . Gitt de riktige generelle forholdene for det komprimerte drivstoffet - høy nok tetthet og temperatur - vil denne oppstartsprosessen resultere i en kjedereaksjon som brenner utover fra midten der sjokkbølgen startet reaksjonen. Dette er en tilstand som kalles tenning , som vil føre til at en betydelig del av drivstoffet i målet gjennomgår fusjon og frigjør store mengder energi.
Til dags dato har de fleste ICF -eksperimenter brukt lasere for å varme opp målet. Beregninger viser at energien må leveres raskt for å komprimere kjernen før den demonteres. Laserenergien må også fokuseres ekstremt jevnt over målets ytre overflate for å kollapse drivstoffet til en symmetrisk kjerne. Selv om andre drivere har blitt foreslått, særlig tunge ioner drevet i partikkelakseleratorer , er lasere for tiden de eneste enhetene med riktig kombinasjon av funksjoner.
Driver laser
NIF tar sikte på å lage en enkelt 500 terawatt (TW) lysglimt som når målet fra mange retninger samtidig, i løpet av få pikosekunder . Konstruksjonen benytter 192 beamlines i et parallelt system av blitslampepumpet, neodymium-dopet fosfat glasslasere.
For å sikre at utstrålingen fra strålelinjene er jevn, forsterkes det første laserlyset fra en enkelt kilde i Injection Laser System (ILS). Dette starter med en laveffekts flash av 1053-nanometer (nm) infrarødt lys generert i en ytterbium dopet optisk fiber laser kjent som hovedoscillatoren. Lyset fra Master Oscillator er delt og ledet inn i 48 forforsterkermoduler (PAM). Hver PAM inneholder en to-trinns forsterkningsprosess. Det første trinnet er en regenerativ forsterker der pulsen sirkulerer 30 til 60 ganger, og øker energien fra nanojoule til titalls millijoule. Lyset passerer deretter fire ganger gjennom en krets som inneholder en neodymium -glassforsterker som ligner på (men mye mindre enn) de som brukes i hovedstrålelinjene, og øker nanojoules av lys som er opprettet i Master Oscillator til ca 6 joule. I følge Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) var utformingen av PAM -ene en av de største utfordringene under byggingen. Forbedringer av designet siden den gang har tillatt dem å overgå sine første designmål.
Hovedforsterkningen finner sted i en serie glassforsterkere som er plassert i den ene enden av bjelkelinjene. Før avfyring pumpes forsterkerne først optisk av totalt 7680 xenon -blitslamper (PAM -ene har også sine egne mindre blitslamper). Lampene drives av en kondensatorbank som lagrer totalt 422 MJ (117 kWh) elektrisk energi. Når bølgefronten passerer gjennom dem, frigjør forsterkerne noe av lysenergien som er lagret i dem i strålen. For å forbedre energioverføringen sendes bjelkene gjennom hovedforsterkerdelen fire ganger, ved hjelp av en optisk bryter i et speilet hulrom. Totalt øker disse forsterkerne de originale 6 J levert av PAM -ene til nominelt 4 MJ. Gitt tidsskalaen på noen milliarddeler av et sekund, er topp UV -effekten levert til målet tilsvarende veldig høy, 500 TW.
Nær midten av hver strålelinje, og som tar opp størstedelen av den totale lengden, er romfiltre . Disse består av lange rør med små teleskoper i enden som fokuserer laserstrålen ned til et lite punkt i midten av røret, hvor en maske kutter av alt vill lys utenfor fokuspunktet. Filtrene sikrer at bildet av strålen når den når målet er ekstremt jevnt, og fjerner lys som ble feilfokusert av feil i optikken oppstrøms. Romlige filtre var et stort skritt fremover i ICF -arbeidet da de ble introdusert i Cyclops -laseren , et tidligere LLNL -eksperiment.
Den totale lengden på banen laserstrålen forplanter seg fra den ene enden til den andre, inkludert brytere, er omtrent 1500 meter. De forskjellige optiske elementene i strålelinjene er vanligvis pakket inn i Line Replaceable Units (LRUs), standardiserte esker på størrelse med en salgsautomat som kan slippes ut av beamline for utskifting nedenfra.
Etter at forsterkningen er fullført, byttes lyset tilbake til strålelinjen, hvor det går til ytterste ende av bygningen til målkammeret . Målkammeret er en 10-meters diameter (33 fot) flerdelt stålkule som veier 130 000 kilo (290 000 lb). Rett før målet når kammeret, reflekteres lyset fra forskjellige speil i verft og målområde for å påvirke målet fra forskjellige retninger. Siden lengden på den generelle banen fra hovedoscillatoren til målet er forskjellig for hver av strålelinjene, brukes optikk for å forsinke lyset for å sikre at de alle kommer til sentrum innen noen få pikosekunder av hverandre. NIF leder normalt laseren inn i kammeret fra toppen og bunnen. Målområdet og verftssystemet kan omkonfigureres ved å flytte halvparten av de 48 strålelinjene til alternative stillinger nærmere ekvator i målkammeret.
Et av de siste trinnene i prosessen før vi når målkammeret er å konvertere det infrarøde (IR) lyset ved 1053 nm til det ultrafiolette (UV) ved 351 nm i en enhet kjent som en frekvensomformer . Disse er laget av tynne ark (ca. 1 cm tykke) kuttet fra en enkelt krystall av kaliumdihydrogenfosfat . Når lyset på 1053 nm (IR) passerer gjennom det første av to av disse arkene, konverterer frekvenstilsetning en stor brøkdel av lyset til 527 nm lys (grønt). Ved passering gjennom det andre arket konverterer frekvenskombinasjonen mye av det 527 nm lyset og det gjenværende 1053 nm lyset til 351 nm (UV) lys. Infrarødt (IR) lys er mye mindre effektivt enn UV ved oppvarming av målene, fordi IR parrer sterkere med varme elektroner som vil absorbere en betydelig mengde energi og forstyrre kompresjon. Konverteringsprosessen kan nå toppeffektivitet på omtrent 80 prosent for en laserpuls som har en flat tidsform , men den tidsformen som trengs for tenning varierer betydelig over varigheten av pulsen. Den faktiske konverteringsprosessen er omtrent 50 prosent effektiv, og reduserer levert energi til nominelle 1,8 MJ.
Et viktig aspekt ved ethvert ICF -forskningsprosjekt er å sikre at eksperimenter faktisk kan utføres rettidig. Tidligere enheter måtte generelt avkjøles i mange timer for å tillate lommelyktene og laserglasset å gjenvinne formen etter avfyring (på grunn av termisk ekspansjon), og begrense bruken til en eller færre avfyringer om dagen. Et av målene for NIF er å redusere denne tiden til mindre enn fire timer, for å tillate 700 fyringer i året.
NIF og ICF
Navnet National Ignition Facility refererer til målet om å tenne fusjonsdrivstoffet, en etterlengtet terskel i fusjonsforskning. I eksisterende (ikke-våpen) fusjonsforsøk rømmer varmen som produseres av fusjonsreaksjonene raskt fra plasmaet, noe som betyr at ekstern oppvarming må påføres kontinuerlig for å holde reaksjonene i gang. Tenning refererer til det punktet hvor energien som avgis i fusjonsreaksjonene som pågår er høy nok til å holde temperaturen på drivstoffet mot tapene. Dette forårsaker en kjedereaksjon som gjør at størstedelen av drivstoffet kan gjennomgå en kjernefysisk forbrenning . Tenning regnes som et sentralt krav hvis fusjonskraft noen gang skal bli praktisk.
NIF er først og fremst designet for å bruke den indirekte driftsmåten, der laseren varmer opp en liten metallsylinder i stedet for kapselen inne i den. Varmen får sylinderen, kjent som et hohlraum (tysk for "hulrom", eller hulrom) til å avgi energien på nytt som intense røntgenstråler , som er mer jevnt fordelt og symmetrisk enn de originale laserstrålene. Eksperimentelle systemer, inkludert OMEGA og Nova lasere , validerte denne tilnærmingen gjennom slutten av 1980 -tallet. Når det gjelder NIF, tillater den store leverte kraften bruk av et mye større mål; grunnlinjens pelletdesign er omtrent 2 mm i diameter, avkjølt til omtrent 18 kelvin (−255 ° C) og foret med et lag frosset DT -drivstoff. Det hule interiøret inneholder også en liten mengde DT -gass.
I et typisk eksperiment vil laseren generere 3 MJ infrarød laserenergi på en mulig 4. Omtrent 1,5 MJ av dette er igjen etter konvertering til UV, og omtrent 15 prosent av dette går tapt ved røntgenomformingen i hohlraumet. Omtrent 15 prosent av de resulterende røntgenstrålene, ca 150 kJ, vil bli absorbert av de ytre lagene av målet. Koblingen mellom kapselen og røntgenstrålene er tapende, og til slutt deponeres bare omtrent 10 til 14 kJ energi i selve drivstoffet.
Den resulterende innadrettet kompresjon er forventet å komprimere brennstoffet i midten av målet til en tetthet på omtrent 1,000 g / cm 3 (eller millioner kg / m 3 ); for sammenligning, bly har en normal tetthet på omkring 11 g / cm 3 (11 340 kg / m 3 ). Trykket tilsvarer 300 milliarder atmosfærer.
Basert på simuleringer var det forventet at dette ville produsere omtrent 20 MJ fusjonsenergi som skulle frigjøres, noe som resulterte i en netto fusjonsenergivinst, angitt Q , på omtrent 15 (fusjonsenergi ute/UV -laserenergi inn). Forbedringer i både lasersystemet og hohlraum-design forventes å forbedre energien som tas opp av kapselen til ca 420 kJ (og dermed kanskje 40 til 50 i selve drivstoffet), noe som igjen kan generere opptil 100-150 MJ fusjonsenergi. Grunnlinjedesignet tillater imidlertid maksimalt ca. 45 MJ frigjøring av fusjonsenergi, på grunn av utformingen av målkammeret. Dette tilsvarer omtrent 11 kg TNT som eksploderer.
Disse utgangsenergiene er fortsatt mindre enn 422 MJ inngangsenergi som kreves for å lade systemets kondensatorer som driver laserforsterkerne. NIF-veggpluggeffektiviteten til NIF (UV-laserenergi ut dividert med energien som kreves for å pumpe laserne fra en ekstern kilde) ville være mindre enn en prosent, og den totale vegg-til-fusjonseffektiviteten er under 10% på sitt maksimale opptreden. En økonomisk fusjonsreaktor vil kreve at fusjonsutgangen er minst en størrelsesorden mer enn denne inngangen. Kommersielle laserfusjonssystemer vil bruke de mye mer effektive diodepumpede solid state-laserne , hvor effektivitet på veggpropper på 10 prosent er demonstrert, og effektivitet 16-18 prosent forventes med avanserte konsepter under utvikling.
Andre konsepter
NIF utforsker også nye typer mål. Tidligere eksperimenter brukte vanligvis plastblader , vanligvis polystyren (CH). NIFs mål er også konstruert ved å belegge en plastform med et lag sputert beryllium eller beryllium-kobberlegeringer, og deretter oksidere plasten ut av midten. Sammenlignet med tradisjonelle plastmål tilbyr beryllium-mål høyere generell implosjonseffektivitet for indirekte drivmodus der innkommende energi er i form av røntgenstråler.
Selv om NIF først og fremst ble designet som en indirekte drivenhet, er energien i laseren høy nok til også å kunne brukes som et direkte drivsystem , der laseren skinner direkte på målet. Selv ved UV -bølgelengder anslås kraften levert av NIF å være mer enn nok til å forårsake antennelse, noe som resulterer i fusjonsenergigevinster på omtrent 40 ganger, noe høyere enn det indirekte drivsystemet. Et mer ensartet bjelkelayout som er egnet for eksperimenter med direkte kjøring, kan arrangeres gjennom endringer i sentralen som beveger halvparten av bjelkelinjene til steder nærmere midten av målkammeret.
Det har blitt vist, ved bruk av skalerte implosjoner på OMEGA-laser og datasimuleringer, at NIF også skal være i stand til å tenne en kapsel ved hjelp av den såkalte polar direct drive (PDD) -konfigurasjonen der målet bestråles direkte av laseren, men bare fra toppen og bunnen, uten endringer i NIF -stråleoppsettet. I denne konfigurasjonen lider målet enten av en "pannekake" eller "sigar" anisotropi ved implosjon, noe som reduserer maksimumstemperaturen i kjernen.
Andre mål, kalt saturn -mål , er spesielt designet for å redusere anisotropien og forbedre implosjonen. De har en liten plastring rundt "ekvator" til målet, som raskt fordamper til et plasma når det treffes av laseren. Noe av laserlyset brytes gjennom dette plasmaet tilbake mot ekvator til målet, og avslutter oppvarmingen. Tenning med gevinster på litt over trettifem ganger antas å være mulig ved bruk av disse målene på NIF, noe som gir resultater nesten like gode som den fullt symmetriske tilnærmingen til direkte kjøring.
Historie
Impetus
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) historie med ICF -programmet starter med fysiker John Nuckolls , som begynte å vurdere problemet etter et møte i 1957 om fredelig bruk av atomvåpen arrangert av Edward Teller på LLNL. Under disse møtene utviklet ideen senere kjent som PACER først. PACER så for seg eksplosjonen av små hydrogenbomber i store huler for å generere damp som ville bli omgjort til elektrisk kraft. Etter å ha identifisert flere problemer med denne tilnærmingen, ble Nuckolls interessert i å forstå hvor liten en bombe som kunne fremstilles som fortsatt ville generere netto positiv kraft.
Det er to deler til en typisk hydrogenbombe, en plutoniumbasert fisjonbombe kjent som primæren , og et sylindrisk arrangement av fusjonsbrensel kjent som det sekundære . Primæren frigjør betydelige mengder røntgenstråler, som er fanget i bombehuset og varme og komprimerer sekundæret til det gjennomgår tenning. Den sekundære består av litiumdeuteridbrensel , som krever en ekstern nøytronkilde for å starte reaksjonen. Dette er normalt i form av et lite plutonium "tennplugg" i midten av drivstoffet. Nuckolls idé var å undersøke hvor liten den sekundære kunne gjøres, og hvilke effekter dette ville ha på energien som trengs fra primæren for å forårsake antennelse. Den enkleste endringen er å erstatte LiD -drivstoffet med DT -gass, og fjerne behovet for tennpluggen. På det tidspunktet er det ingen teoretisk minste størrelse - ettersom sekundæren ble mindre, så ble også mengden energi som trengs for å nå tenning. På milligramnivå begynte energinivåene å nærme seg de tilgjengelige via flere kjente enheter.
På begynnelsen av 1960 -tallet hadde Nuckolls og flere andre våpendesignere utviklet omrissene av ICF -tilnærmingen. DT -drivstoffet ville bli plassert i en liten kapsel, designet for å raskt ablere ved oppvarming og dermed maksimere kompresjon og sjokkbølgedannelse. Denne kapsel ville bli plassert i et konstruert skall, hohlraum, som virket som bombehuset. Hohlraum måtte imidlertid ikke varmes opp med røntgenstråler; enhver energikilde kan brukes så lenge den leverer nok energi til at selve hohlraumet blir varmt og begynner å avgi røntgenstråler. Ideelt sett ville energikilden være plassert et stykke unna, for å mekanisk isolere begge ender av reaksjonen. En liten atombombe kan brukes som energikilde, slik den er i en hydrogenbombe, men ideelt sett ville mindre energikilder bli brukt. Ved hjelp av datasimuleringer estimerte lagene at det ville være behov for omtrent 5 MJ energi fra primæren, og genererte en 1 MJ stråle. For å sette dette i perspektiv, frigjør en liten fisjon primær på 0,5 kt totalt 2 millioner MJ.
ICF -programmet starter
Mens Nuckolls og LLNL jobbet med hohlraum-baserte konsepter, jobbet tidligere våpendesigner Ray Kidder med direkte -drivkonseptet , ved å bruke et stort antall laserstråler for å jevnt oppvarme målkapslen. På begynnelsen av 1970 -tallet dannet Kidder KMS Fusion for å kommersialisere dette konseptet direkte. Dette utløste intens rivalisering mellom Kidder og våpenlaboratoriene. Tidligere ignorert, ICF var nå et hett tema, og de fleste laboratoriene startet snart sitt eget ICF -arbeid. LLNL bestemte seg tidlig for å konsentrere seg om glasslasere, mens andre anlegg studerte gasslasere ved bruk av karbondioksid (f.eks. ANTARES, Los Alamos National Laboratory ) eller KrF (f.eks. Nike laser , Naval Research Laboratory ).
Gjennom disse tidlige utviklingsstadiene var mye av forståelsen av fusjonsprosessen et resultat av datasimuleringer, først og fremst LASNEX . LASNEX forenklet reaksjonen på en todimensjonal simulering sterkt, som var alt som var mulig gitt mengden datakraft den gangen. I følge LASNEX ville laserdrivere i kJ -området ha de nødvendige egenskapene for å nå lav forsterkning, noe som bare var innenfor teknikkens stade. Dette førte til Shiva -laserprosjektet som ble fullført i 1977. I motsetning til spådommer falt Shiva langt under målene sine, og tettheten som ble nådd var tusenvis av ganger mindre enn forutsagt. Dette ble sporet til problemer med måten laseren leverte varme til målet, som leverte mesteparten av energien til elektroner i stedet for hele drivstoffmassen. Ytterligere eksperimenter og simuleringer viste at denne prosessen kunne forbedres dramatisk ved å bruke kortere bølgelengder av laserlys.
Ytterligere oppgraderinger av simuleringsprogrammene, som tar hensyn til disse effektene, spådde en ny design som ville nå antennelse. Dette nye systemet dukket opp som 20-stråles 200 kJ Nova laserkonsept . I den innledende byggefasen fant Nuckolls en feil i beregningene, og en anmeldelse fra oktober 1979 ledet av John Foster Jr. fra TRW bekreftet at det ikke var noen måte Nova ville oppnå tenning. Nova-designet ble deretter modifisert til et mindre 10-strålesignal som ga frekvenskonvertering til 351 nm lys, noe som ville øke koblingseffektiviteten. I drift var Nova i stand til å levere omtrent 30 kJ UV -laserenergi, omtrent halvparten av det som opprinnelig var forventet, først og fremst på grunn av grenser satt av optisk skade på den endelige fokusoptikken. Selv på disse nivåene var det klart at spådommene for fusjonsproduksjon fortsatt var feil; selv med begrensede krefter var fusjonsutbyttet langt under forutsigelsene.
Halitt og Centurion
For hvert eksperiment økte den forutsagte energien som trengs for å nå tenning, og det var ikke klart at spådommer etter Nova var mer nøyaktige enn tidligere. Den Department of Energy (DOE) besluttet at direkte eksperimentering var den beste måten å avgjøre spørsmålet, og i 1978 de startet en rekke underjordiske forsøk på Nevada Test Site som brukte små atombomber for å belyse ICF mål. Testene ble kjent som Halite eller Centurion avhengig av hvilket laboratorium som kjørte det, LLNL eller LANL.
Hver test var i stand til samtidig å belyse mange mål, slik at de kunne teste mengden røntgenenergi som trengs ved å plassere målene på forskjellige avstander fra bomben. Et annet spørsmål var hvor stort drivstoffaggregatet måtte være for at drivstoffet skulle varme seg selv opp fra fusjonsreaksjonene og dermed nå antennelse. De første dataene var tilgjengelige i midten av 1984, og testen opphørte i 1988. Tenningen ble oppnådd for første gang under disse testene, men mengden energi og størrelsen på drivstoffmålene som trengs for å nå tenningen var langt høyere enn forutsagt. I samme periode begynte eksperimenter på Nova med lignende mål for å forstå deres oppførsel under laserbelysning, noe som muliggjorde direkte sammenligning med resultatene fra bombetestene.
Data fra testene antydet at omtrent 10 MJ røntgenenergi ville være nødvendig for å nå tenning. Hvis denne energien leveres av en IR -laser til et hohlraum, som i Nova eller NIF, tilsvarer dette en original laserenergi i størrelsesorden 100 MJ, langt utenfor rekkevidden til eksisterende teknologi.
Det brøt ut en stor debatt i ICF -etablissementet som et resultat. En gruppe foreslo at de forsøkte å bygge en laser av denne kraften; Leonardo Mascheroni og Claude Phipps designet en ny type hydrogenfluoridlaser som ble pumpet av elektroner med høy energi som ville kunne nå 100 MJ-grensen. Andre brukte de samme dataene og nye versjoner av deres datasimuleringer basert på disse eksperimentene som antydet at forsiktig utforming av laserpulsen og bruk av flere stråler spredt jevnere viste at tenning og netto energigevinster kunne oppnås med en laser mellom 5 og 10 MJ .
Disse resultatene fikk DOE til å be om et tilpasset militært ICF -anlegg de kalte "Laboratory Microfusion Facility" (LMF). LMF ville bruke en driver i størrelsesorden 10 MJ, og leverte fusjonsutbytte på mellom 100 og 1000 MJ. En gjennomgang av dette konseptet 1989/90 av National Academy of Sciences antydet at LMF var et for stort skritt for å gjøre med en gang, og at grunnleggende fysikkproblemer fremdeles måtte utforskes. De anbefalte ytterligere eksperimenter før de forsøkte å flytte til et 10 MJ -system. Likevel var forfatterne klar over potensialet for høyere energikrav, og bemerket "Faktisk, hvis det skulle vise seg at en 100 MJ -sjåfør var nødvendig for tenning og forsterkning, måtte man revurdere hele tilnærmingen til, og begrunnelsen for, ICF ".
LMF og Nova Upgrade
Det ble anslått å bygge LMF rundt 1 milliard dollar. LLNL sendte opprinnelig ut et design med en 5 MJ 350 nm (UV) driverlaser som ville kunne nå omtrent 200 MJ utbytte, noe som var nok til å oppnå flertallet av LMF -målene. Programmet ble anslått å koste rundt $ 600 millioner dollar 1989, og ytterligere $ 250 millioner for å oppgradere det til hele 1.000 MJ om nødvendig, og ville vokse til godt over $ 1 milliard hvis LMF skulle nå alle målene DOE ba om. . Andre laboratorier foreslo også sine egne LMF -design ved bruk av andre teknologier.
Gjennomgang av National Academy of Sciences førte til en revurdering av disse planene, og i juli 1990 svarte LLNL med Nova Upgrade, som ville gjenbruke flertallet av det eksisterende Nova -anlegget, sammen med det tilstøtende Shiva -anlegget. Det resulterende systemet ville ha mye lavere effekt enn LMF -konseptet, med en driver på omtrent 1 MJ. Den nye designen inkluderte en rekke funksjoner som avanserte toppmoderne i førerseksjonen, inkludert multipassdesignet i hovedforsterkerne, og 18 strålelinjer (opp fra 10) som ble delt inn i 288 "stråler" da de kom inn målområdet for å forbedre belysningens ensartethet. Planene krevde installasjon av to hovedbanker med laserstrålelinjer, en i det eksisterende Nova beamline -rommet, og den andre i den eldre Shiva -bygningen ved siden av, som strekker seg gjennom laserbukta og målområdet til et oppgradert Nova -målområde. Laserne ville levere omtrent 500 TW i en 4 ns puls. Oppgraderingene var forventet å tillate nye Nova å produsere fusjonsutbytte på mellom 2 og 10 MJ. De første estimatene fra 1992 estimerte byggekostnader rundt 400 millioner dollar, og byggingen fant sted fra 1995 til 1999.
NIF dukker opp
Gjennom denne perioden førte slutten på den kalde krigen til dramatiske endringer i forsvarsfinansiering og prioriteringer. Ettersom behovet for atomvåpen ble sterkt redusert og forskjellige våpenbegrensningsavtaler førte til en reduksjon i antall stridshoder, sto USA overfor muligheten til å miste en generasjon atomvåpendesignere som var i stand til å vedlikeholde de eksisterende lagrene, eller designe nye våpen. Samtidig ble det gjort fremskritt med det som skulle bli den omfattende kjernefysiske-test-forbud-traktaten , som ville forby all kritisk testing. Dette ville gjøre pålitelig utvikling av nyere generasjoner atomvåpen mye vanskeligere.
Ut av disse endringene kom Stockpile Stewardship and Management Program (SSMP), som blant annet inkluderte midler til utvikling av metoder for å designe og bygge atomvåpen som ville fungere uten å måtte eksplodere eksplosivt. I en serie møter som startet i 1995, ble det inngått en avtale mellom laboratoriene om å dele opp SSMP -innsatsen. En viktig del av dette vil være bekreftelse av datamodeller som bruker ICF-eksperimenter med lav avkastning. Nova -oppgraderingen var for liten til å brukes til disse forsøkene, og et redesign dukket opp som NIF i 1994. De anslåtte kostnadene for prosjektet forble i overkant av 1 milliard dollar, med ferdigstillelse i 2002.
Til tross for avtalen resulterte den store prosjektkostnaden kombinert med avslutning av lignende prosjekter på andre laboratorier i flere svært kritiske kommentarer fra forskere ved andre våpenlaboratorier, spesielt Sandia National Laboratories . I mai 1997 uttalte Sandia -fusjonsforsker Rick Spielman offentlig at NIF "praktisk talt ikke hadde noen intern fagfellevurdering om de tekniske problemene" og at "Livermore i hovedsak valgte panelet til å vurdere seg selv". En pensjonert Sandia -manager, Bob Puerifoy, var enda mer sløv enn Spielman: "NIF er verdiløs ... den kan ikke brukes til å opprettholde lageret, periode".
Et kontrasterende syn ble uttrykt av Victor Reis, assisterende sekretær for forsvarsprogrammer innen DOE og hovedarkitekten for Stockpile Stewardship Program. Reis fortalte US House Armed Services Committee i 1997 at NIF var "designet for å produsere, for første gang i et laboratorium, temperaturforhold og stoffets tetthet nær dem som oppstår ved detonasjon av atomvåpen. Evnen til å studere materiens oppførsel og overføring av energi og stråling under disse forholdene er nøkkelen til å forstå grunnleggende fysikk i atomvåpen og forutsi deres ytelse uten underjordiske kjernefysiske tester. To JASON -paneler, som består av vitenskapelige og tekniske nasjonale sikkerhetseksperter, har uttalt at NIF er den mest vitenskapelig verdifulle av alle programmene som foreslås for vitenskapsbasert lagerforvaltning.
Til tross for den første kritikken ga Sandia, så vel som Los Alamos, støtte i utviklingen av mange NIF -teknologier, og begge laboratoriene ble senere partnere med NIF i National Ignition Campaign.
Konstruere NIF
Arbeidet med NIF startet med en enkelt beamline -demonstrator, Beamlet. Beamlet opererte mellom 1994 og 1997 og var fullstendig vellykket. Den ble deretter sendt til Sandia National Laboratories som en lyskilde i Z -maskinen . En demonstrant i full størrelse fulgte deretter, i AMPLAB, som startet operasjonene i 1997. Den offisielle grensesprengningen på hovednif-stedet var 29. mai 1997.
På den tiden anslår DOE at NIF ville koste omtrent 1,1 milliarder dollar og ytterligere 1 milliard dollar for relatert forskning, og ville være ferdig allerede i 2002. Senere i 1997 godkjente DOE ytterligere 100 millioner dollar i finansiering og presset driftsdatoen tilbake til 2004. Så sent som i 1998 sa LLNLs offentlige dokumenter at den totale prisen var $ 1,2 milliarder dollar, med de første åtte laserne som kom på nettet i 2001 og fullførte i 2003.
Den fysiske omfanget av anlegget alene gjorde byggeprosjektet utfordrende. Da det "konvensjonelle anlegget" (skallet for laseren) var ferdig i 2001, hadde mer enn 210 000 kubikkmeter jord blitt gravd ut, mer enn 73 000 kubikkmeter betong hadde blitt hellet, 7600 tonn armeringsstålarmering hadde blitt plassert, og det var reist mer enn 5000 tonn konstruksjonsstål. I tillegg til den store størrelsen, ga bygningen NIF en rekke unike utfordringer. For å isolere lasersystemet fra vibrasjoner, ble grunnlaget for hver laserbue gjort uavhengig av resten av strukturen. Tre fot tykke, 420 fot lange og 80 fot brede plater, som hver inneholder 3800 kubikkmeter betong, krevde kontinuerlig betonghelling for å oppnå spesifikasjonene.
Det var også uventede utfordringer å takle: I november 1997 dumpet en El Niño -værfront to centimeter regn på to timer og oversvømmet NIF -stedet med 200 000 liter vann bare tre dager før den planlagte betongfundamenthellingen. Jorden var så gjennomvåt at rammen for støttemuren sank seks centimeter, og tvang mannskapet til å demontere og sette den sammen igjen for å helle betongen. Byggingen ble stanset i desember 1997, da 16 000 år gamle mammutben ble oppdaget på byggeplassen. Paleontologer ble kalt inn for å fjerne og bevare beinene, og byggingen startet på nytt innen fire dager.
En rekke forsknings- og utviklings-, teknologi- og ingeniørutfordringer måtte også overvinnes, for eksempel å jobbe med optikkindustrien for å skape en presis stor optikkproduksjonsevne for å levere laserglasset til NIFs 7500 meter store optikk. Avansert optikkmåling, belegg og etterbehandlingsteknikk var nødvendig for å motstå NIFs høyenergilasere, det samme var metoder for å forsterke laserstrålene til de nødvendige energinivåene. Kontinuerlig glass, hurtigvekstkrystaller, innovative optiske brytere og deformerbare speil var blant teknologiinnovasjonene som ble utviklet for NIF.
Sandia, med lang erfaring med pulserende strømforsyning, designet kondensatorbankene som ble brukt til å mate lommelyktene, og fullførte den første enheten i oktober 1998. Til alles overraskelse fikk Pulsed Power Conditioning Modules (PCM) kondensatorfeil som førte til eksplosjoner. Dette krevde en redesign av modulen for å inneholde rusk, men siden betongkonstruksjonen til bygningene som inneholdt dem allerede var helmet, forlot dette de nye modulene så tett pakket at det ikke var mulig å utføre vedlikehold på stedet. Enda et nytt redesign fulgte, denne gangen tillot modulene å bli fjernet fra buktene for service. Fortsatte problemer av denne typen forsinket driften av prosjektet ytterligere, og i september 1999 uttalte en oppdatert DOE -rapport at NIF ville kreve opptil 350 millioner dollar mer og ferdigstillelsen ville bli presset tilbake til 2006.
Re-baseline og GAO-rapport
I løpet av denne perioden ble ikke problemene med NIF rapportert opp i ledelseskjeden. I 1999 rapporterte daværende energisekretær Bill Richardson til kongressen at NIF -prosjektet var i tide og budsjett, etter informasjonen som hadde blitt gitt ham av NIFs ledelse. I august samme år ble det avslørt at NIF -ledelsen hadde villedet Richardson, og faktisk var ingen av påstandene nær sannheten. Som GAO senere ville merke, "Videre forsikret laboratoriets tidligere laserdirektør, som hadde tilsyn med NIF og alle andre laseraktiviteter, laboratorieledere, DOE, universitetet og kongressen om at NIF -prosjektet var tilstrekkelig finansiert og bemannet og fortsatte kostnader og tidsplan, selv om han ble orientert om klare og økende bevis på at NIF hadde alvorlige problemer ". Richardson kommenterte senere "Jeg har vært veldig bekymret for ledelsen av dette anlegget ... dårlig ledelse har overhalet god vitenskap. Jeg vil ikke at dette skal skje igjen". En DOE -arbeidsgruppe som rapporterte til Richardson sent i januar 2000 oppsummerte at "organisasjoner i NIF -prosjektet ikke klarte å implementere program- og prosjektledelsesprosedyrer og prosesser som står i et rimelig forhold til et større forsknings- og utviklingsprosjekt ... [og det] ... ingen får bestått karakter på NIF Management: ikke DOEs kontor for forsvarsprogrammer, ikke Lawrence Livermore National Laboratory og ikke University of California ".
Gitt budsjettproblemene, ba den amerikanske kongressen om en uavhengig gjennomgang av General Accounting Office (GAO). De returnerte en svært kritisk rapport i august 2000 om at budsjettet sannsynligvis var 3,9 milliarder dollar, inkludert FoU, og at anlegget neppe var ferdigstilt i nærheten i tide. Rapporten, " Management and Oversight Failures Caused Major Cost Overruns and Schedule Delays ", identifiserte ledelsesproblemer for overskridelsene, og kritiserte også programmet for ikke å inkludere en betydelig sum penger dedikert til målfabrikasjon i budsjettet, inkludert det i operasjonelle kostnader i stedet for utvikling.
Tidlige tekniske forsinkelser og problemer med prosjektledelse fikk DOE til å begynne en omfattende "Rebaseline Validation Review of the National Ignition Facility Project" i 2000, som tok et kritisk blikk på prosjektet, identifiserte bekymringsområder og justerte tidsplanen og budsjettet for å sikre gjennomføring . John Gordon , National Nuclear Security Administrator, uttalte "Vi har utarbeidet en detaljert bottom-up-kostnad og tidsplan for å fullføre NIF-prosjektet ... Den uavhengige gjennomgangen støtter vår holdning om at NIF-ledergruppen har gjort betydelige fremskritt og løst tidligere problemer". Rapporten reviderte budsjettanslaget til 2,25 milliarder dollar, inkludert ikke relatert FoU som presset den til 3,3 milliarder dollar totalt, og presset ferdigstillingsdatoen tilbake til 2006 med de første linjene som kom på nett i 2004. En oppfølgingsrapport neste år inkluderte alle disse elementene, og skyver budsjettet til 4,2 milliarder dollar og fullføringsdatoen til rundt 2008.
Fremgang etter rebaselining
Et nytt lederteam overtok NIF-prosjektet i september 1999, ledet av George Miller (som senere ble LLNL-direktør 2006-2011), som ble utnevnt til fungerende assisterende direktør for lasere. Ed Moses , tidligere leder for Atomic Vapor Laser Isotope Separation (AVLIS) -programmet på LLNL, ble prosjektleder for NIF. Siden omstruktureringen har NIFs ledelse fått mange positive anmeldelser, og prosjektet har oppfylt budsjettene og tidsplanene som er godkjent av kongressen. I oktober 2010 ble prosjektet kåret til "Årets prosjekt" av Project Management Institute , som siterte NIF som et "fantastisk eksempel på hvordan riktig anvendt prosjektledelse -fortreffelighet kan samle globale team for å levere et prosjekt av denne skalaen og viktigheten effektivt . "
Nylige anmeldelser av prosjektet har vært positive, generelt i tråd med planene og budsjettene etter Rebound-planen etter GAO. Imidlertid var det langvarige bekymringer for NIFs evne til å nå tenning, i det minste på kort sikt. En uavhengig gjennomgang av JASON Defense Advisory Group var generelt positiv til NIFs utsikter på lang sikt, men konkluderte med at "De vitenskapelige og tekniske utfordringene i en så kompleks aktivitet tyder på at suksess i de tidlige antennelsesforsøkene i 2010, mens det er mulig, er usannsynlig". Gruppen foreslo en rekke endringer i tidslinjen for ferdigstillelse for å bringe NIF til sin fulle designkraft så snart som mulig, og hoppe over en testperiode ved lavere krefter som de følte hadde liten verdi.
Tidlige tester og ferdigstillelse av konstruksjonen
I mai 2003 oppnådde NIF "første lys" på en bunt med fire stråler, og produserte en 10,4 kJ puls av IR -lys i en enkelt strålelinje. I 2005 ble de første åtte strålene (en hel bunt) avfyrt og produserte 153 kJ infrarødt lys, og dermed overskygget OMEGA som den høyeste energilaseren (per puls) på planeten. I januar 2007 var alle LRU -ene i Master Oscillator Room (MOOR) ferdige og datarommet var installert. I august 2007 ble 96 laserlinjer ferdigstilt og tatt i bruk, og "En total infrarød energi på mer enn 2,5 megajoules er nå avfyrt. Dette er mer enn 40 ganger det Nova -laseren vanligvis opererte på den tiden det var verdens største laser".
26. januar 2009 ble den endelige utskiftbare enheten (LRU) installert, noe som fullførte en av de siste store milepælene i NIF -byggeprosjektet og betydde at konstruksjonen ble uoffisielt fullført. 26. februar 2009 fyrte NIF for første gang alle 192 laserstråler inn i målkammeret. Mars 2009 ble NIF den første laseren som brøt megajoule -barrieren, avfyrte alle 192 stråler og leverte 1,1 MJ ultrafiolett lys, kjent som 3ω (fra tredje harmoniske generasjon ), til målkammerets senter i en formet tenningspuls. Hovedlaseren leverte 1,952 MJ infrarød energi.
Operasjoner
Mai 2009 ble NIF viet i en seremoni deltatt av tusenvis, inkludert California -guvernør Arnold Schwarzenegger og senator Dianne Feinstein . De første laserskuddene til et hohlraum -mål ble avfyrt i slutten av juni 2009.
Oppbygging til hovedeksperimenter
28. januar 2010 publiserte anlegget et papir som rapporterte levering av en puls på 669 kJ til et gullhohlraum , og satte nye rekorder for kraftlevering med en laser, og førte til analyse som antydet at mistenkt interferens fra generert plasma ikke ville være et problem ved antennelse av en fusjonsreaksjon. På grunn av størrelsen på testhullrummene, produserte laser/plasma-interaksjoner plasma-optiske gitter, som virket som små prismer, som ga symmetrisk røntgenstasjon på kapselen inne i hohlraum.
Etter å ha gradvis endret laserens bølgelengde, kunne forskere komprimere en sfærisk kapsel jevnt og varme den opp til 3,3 millioner kelvin (285 eV). Kapslen inneholdt kryogen avkjølt gass, som fungerte som en erstatning for deuterium og tritium drivstoffkapsler som vil bli brukt senere. Siegfried Glenzer, leder for plasmafysikkgruppen, sa at de har vist at de kan opprettholde de nøyaktige drivstofflagene som trengs i laboratoriet, men ennå ikke innenfor lasersystemet.
Fra januar 2010 kan NIF løpe så høyt som 1,8 megajoules. Glenzer sa at eksperimenter med litt større hohlraums som inneholdt fusjonsklare brenselpellets ville begynne før mai 2010, sakte stigende opp til 1,2 megajoules-nok til tenning ifølge beregninger. Men først måtte målkammeret utstyres med skjold for å blokkere nøytroner som en fusjonsreaksjon ville produsere. 5. juni 2010 avfyrte NIF -teamet lasere mot målkammeret for første gang på seks måneder; omstilling av bjelkene fant sted senere i juni som forberedelse til videre drift med høy energi.
Nasjonal tenningskampanje
Da hovedkonstruksjonen var fullført, begynte NIF å jobbe med "National Ignition Campaign" (NIC), søket etter å nå tenning. På dette tidspunktet var eksperimentene så sikre på at antennelse ville nås at artikler begynte å dukke opp i vitenskapsmagasiner om at det ville bli kunngjort bare kort tid etter at artikkelen ble publisert. Scientific American startet en anmeldelseartikkel i 2010 med uttalelsen "Ignition is close now. Within a year or two ..."
Den første testen ble utført 8. oktober 2010 på litt over 1 MJ. Imidlertid bremset en rekke problemer drivkraften mot laserenergier på tenningsnivå i området 1,4 til 1,5 MJ.
Fremgangen ble opprinnelig bremset av potensialet for skade fra overoppheting på grunn av en konsentrasjon av energi på optiske komponenter som er større enn noe som tidligere er forsøkt. Andre problemer inkluderte problemer med å fordele drivstoffet inne i målene, og det ble funnet små mengder støv på kapseloverflaten.
Etter hvert som kraften ble økt og mål for økende raffinement ble brukt, dukket det opp et annet problem som forårsaket en asymmetrisk implosjon. Dette ble til slutt sporet til små mengder vanndamp i målkammeret som frøs til vinduene på endene av hohlraums. Dette ble løst ved å designe hohlraum på nytt med to lag glass i hver ende, og faktisk skape et stormvindu. Steven Koonin, DOE undersekretær for vitenskap, besøkte laboratoriet for en oppdatering om NIC 23. april, dagen etter at vindusproblemet ble kunngjort som løst. Mars hadde han beskrevet NIC som "et mål av overordnet betydning for DOE" og uttrykte at fremskritt til dags dato "ikke var så raskt som jeg hadde håpet".
NIC -skudd stoppet i februar 2011, da maskinen ble overført til SSMP -materialforsøk. Etter hvert som disse eksperimentene avviklet, ble det utført en rekke planlagte oppgraderinger, særlig en rekke forbedrede diagnostiske og måleinstrumenter. Blant disse endringene var tillegg av ARC (Advanced Radiographic Capability) -systemet, som bruker 4 av NIFs 192 stråler som bakgrunnsbelysningskilde for høyhastighets avbildning av implosjonssekvensen.
ARC er i hovedsak en petawatt-klasse laser med toppeffekt som overstiger en kvadrillion (10 15 ) watt. Den er designet for å produsere lysere, mer gjennomtrengende røntgenstråler med høyere energi enn det som kan oppnås med konvensjonelle radiografiske teknikker. Når den er fullført, vil ARC være verdens høyeste energi kortpulslaser, i stand til å lage laserpulser med picosekund-varighet for å produsere energiske røntgenstråler i området 50-100 keV for bakgrunnsbelysning av NIF-eksperimenter.
NIC -kjøringer startet på nytt i mai 2011 med målet om å timing de fire lasersjokkbølgene som komprimerer fusjonsmålet til meget høy presisjon. Skuddene testet symmetrien til røntgenstasjonen i løpet av de tre første nanosekundene . Full-systemskudd avfyrt i andre halvdel av mai oppnådde enestående topptrykk på 50 megabar .
I januar 2012 spådde Mike Dunne, direktør for NIFs laserfusjonsenergiprogram, i en Photonics West 2012 plenarmøte at tenning ville oppnås på NIF innen oktober 2012. I samme måned avfyrte NIF rekordhøye 57 skudd, mer enn i noen måned frem til det punktet. 15. mars 2012 produserte NIF en laserpuls med 411 billioner watt toppeffekt. 5. juli 2012 ga den en kortere puls på 1,85 MJ og økt effekt på 500 TW.
DOE -rapport, 19. juli 2012
NIC -kampanjen har blitt jevnlig gjennomgått av et team ledet av Steven E. Koonin , under vitenskapssekretær. Den sjette anmeldelsen, 31. mai 2012, ble ledet av David H. Crandall, rådgiver for nasjonal sikkerhet og treghetsfusjon, og Koonin ble utelukket fra å lede anmeldelsen på grunn av en interessekonflikt. Gjennomgangen ble gjennomført med de samme eksterne anmeldere, som tidligere hadde tjent Koonin. Hver av dem ga sin rapport uavhengig av hverandre, med sitt eget estimat av sannsynligheten for å oppnå tenning i planen, dvs. før 31. desember 2012. Konklusjonen på anmeldelsen ble publisert 19. juli 2012.
Den forrige gjennomgangen datert 31. januar 2012 identifiserte en rekke eksperimentelle forbedringer som er fullført eller pågår. Den nye rapporten berømmet enstemmig kvaliteten på installasjonen: lasere, optikk, mål, diagnostikk, operasjoner har imidlertid alle vært enestående:
- Den integrerte konklusjonen basert på denne omfattende eksperimentperioden er imidlertid at betydelige hindringer må overvinnes for å nå tenning eller målet om å observere entydig alfa -oppvarming. Anmelderne bemerker faktisk at gitt de ukjente med den nåværende 'semi-empiriske' tilnærmingen, er sannsynligheten for tenning før slutten av desember ekstremt lav, og selv målet om å demonstrere entydig alfa-oppvarming er utfordrende. (Crandall Memo 2012, s. 2)
Videre uttrykker rapportmedlemmene dype bekymringer for hullene mellom observert ytelse og ICF -simuleringskoder slik at de nåværende kodene er av begrenset nytte fremover. Spesielt fant de mangel på forutsigbarhet for stråledriften til kapselen og utilstrekkelig modellerte laser-plasma-interaksjoner. Disse effektene fører til at trykket er en halv til en tredjedel av det som kreves for tenning, langt under de forutsagte verdiene. Notatet side 5 diskuterer blandingen av ablatormateriale og kapselbrensel som sannsynligvis skyldes hydrodynamisk ustabilitet i ablatorens ytre overflate.
Rapporten antyder videre at bruk av en tykkere ablator kan forbedre ytelsen, men dette øker tregheten. For å beholde den nødvendige implosjonshastigheten, ber de om at NIF -energien økes til 2MJ. Man må også huske på at neodymlasere bare tåler en begrenset mengde energi eller risikerer permanent skade på lasermediets optiske kvalitet. Anmelderne stiller spørsmål ved om energien til NIF er tilstrekkelig til å indirekte komprimere en stor nok kapsel for å unngå blandingsgrensen og nå antennelse. Rapporten konkluderte med at tenning i kalenderåret 2012 er 'svært usannsynlig'.
Tenning mislykkes, fokus skifter, LIV slutter
NIC avsluttet offisielt 30. september 2012 uten å oppnå tenning. I følge mange artikler i pressen var kongressen bekymret for prosjektets fremgang og finansieringsargumenter kan begynne på nytt. Disse rapportene antydet også at NIF vil flytte fokuset bort fra tenning tilbake til materialforskning.
I 2008, da NIF nådde ferdigstillelse, begynte LLNL Laser Inertial Fusion Energy -programmet, eller LIFE, for å utforske måter å bruke NIF -teknologiene som grunnlag for en kommersiell design av kraftverk. Tidlige studier vurderte fisjon-fusjonshybridkonseptet , men fra 2009 var fokuset på rene fusjonsenheter, med en rekke teknologier som ble utviklet parallelt med NIF som ville forbedre designens ytelse sterkt.
Alle disse var imidlertid basert på ideen om at NIF ville oppnå tenning, og at det bare ville være nødvendig med mindre endringer i den grunnleggende designen for å forbedre ytelsen. I april 2014 bestemte Livermore seg for å avslutte LIFE -innsatsen. Bret Knapp, fungerende direktør i Livermore, ble sitert for å si at "Fokuset i vår treghetsfusjonsinnsats er på å forstå tenning på NIF snarere enn på LIFE -konseptet."
Breakeven hevder
Et notat sendt av Ed Moses 29. september 2013 beskriver et fusjonsskudd som fant sted kl. 05.15 28. september. Den produserte 5 × 10 15 nøytroner, 75% mer enn noen tidligere skudd. Alpha -oppvarming, en viktig komponent i tenning, ble tydelig sett. Den bemerket også at reaksjonen frigjorde mer energi enn "energien som absorberes av drivstoffet", en tilstand notatet refererte til som "vitenskapelig breakeven". Dette fikk betydelig presseomtale da det så ut til å antyde at en nøkkelterskel var oppnådd, som ble omtalt som en "milepæl".
En rekke forskere påpekte at eksperimentet var langt under tenning, og ikke representerte et gjennombrudd som rapportert. Andre bemerket at definisjonen av breakeven som registrert i mange referanser, og direkte uttalt av Moses tidligere, var da fusjonsutgangen var lik laserinngangen.
I denne utgivelsen ble begrepet endret til bare å referere til energien som er avsatt i drivstoffet, ikke energien til laseren som i tidligere uttalelser. Alle tapstrømsmekanismene oppstrøms ble ignorert, og sammenligningen var mellom de omtrent 10 kJ som når drivstoffet og de 14 kJ som ble produsert, et Q på 1,4. Ved å bruke den forrige definisjonen vil dette være 1,8 MJ inn og 14 kJ ut, et Q på 0,008.
Metoden som brukes for å nå disse nivåene, kjent som "høy fot", er ikke egnet for generell tenning, og som et resultat er det fortsatt uklart om NIF noen gang vil nå dette målet.
Lagereksperimenter
Siden 2013 har NIF flyttet fokus til materialer og våpenforskning. Eksperimenter som begynte i 2015 FY har brukt plutoniummål, med en tidsplan som inneholder 10 til 12 skudd for 2015, og så mange som 120 i løpet av de neste 10 årene. Plutoniumskudd simulerer komprimering av primæren i en atombombe av høyeksplosiver , som ikke har sett direkte testing siden den omfattende kjernefysiske-forbud-traktaten . Bitte små mengder plutonium brukes i disse testene, alt fra mindre enn et milligram til 10 milligram. Lignende eksperimenter utføres også på Sandias Z -maskin . Direktøren for LLNLs Primary Nuclear Design Program, Mike Dunning, bemerket at "Dette er en mulighet for oss å få data av høy kvalitet ved å bruke et regime som tidligere ikke var tilgjengelig for oss".
En viktig utvikling på NIF siden tenningskampanjen har vært en økning i skuddhastigheten. Selv om det er designet for å tillate skudd så ofte som hver fjerde time, utførte FY NIF i 2014 191 skudd, litt mer enn ett annenhver dag. Dette har blitt kontinuerlig forbedret, og i april 2015 var NIF på sporet for å nå målet om 300 laserskudd i 2015 FY, nesten ett om dagen.
Fortsatte fusjonseksperimenter
28. januar 2016 gjennomførte NIF sitt første gassrørseksperiment med det formål å studere absorpsjon av store mengder laserlys innen 1 centimeter (0,39 tommer) lange mål som er relevante for høy gevinst Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF). For å undersøke viktige aspekter ved forplantning, stabilitet og effektivitet av laserenergikobling i full skala for høyforsterket MagLIF-måldesign, ble en enkelt quad NIF brukt til å levere 30 kJ energi til et mål i løpet av en 13 nanosekundformet form puls. Retur av data var veldig gunstig, og analyse pågår av vitenskapelig personale ved Lawrence Livermore og Sandia National Laboratories.
I 2018 ble det kunngjort en betydelig forbedring i produksjonen, et resultat av kontinuerlige forbedringer i kontroll av komprimeringsasymmetri. Et skudd med en effekt på 1,9 × 10 16 nøytroner som resulterer i 0,054 MJ fusjonsenergi frigjort av 1,5 MJ laserpuls.
August 2021 antydet foreløpige eksperimentelle resultater at fusjon ble oppnådd. Utbyttet ble estimert til å være 70% av laserinngangsenergien. Det produserte overflødige nøytroner i samsvar med en kortvarig kjedereaksjon. Flere parametere for eksperimentet ble endret. Materialet i hydrogen/deuterium-beholderen ble endret til diamant for å øke absorbansen til sekundære røntgenstråler som ble opprettet av laser burst, og dermed øke effekten av kollapsen. Andre endringer var "å glatte ut mikroskopiske støt og groper på drivstoffkapseloverflaten", redusere størrelsen på hullet i kapselen som ble brukt til å injisere den med drivstoff, krympe hullene i gullsylinderen som omgir kapselen "så mindre energi slipper ut," og "å forlenge laserpulsen for å fortsette å kjøre drivstoffet innover lenger". Dette resultatet slår litt den tidligere rekorden på 67% satt av JET torus i 1997.
Lignende prosjekter
Noen lignende eksperimentelle ICF -prosjekter er:
Bilder
Visningsporten gir et blikk inn i det indre av målkammeret med en diameter på 30 fot.
Utvendig sett av den øvre 1/3 av målkammeret. De store firkantede bjelkeportene er fremtredende.
En tekniker laster en instrumentbeholder i den vakuumforseglede diagnostiske instrumentmanipulatoren.
Lommelyktene som brukes til å pumpe hovedforsterkerne er de største noensinne i kommersiell produksjon.
Glassplatene som brukes i forsterkerne er også mye større enn de som ble brukt i tidligere lasere.
I populærkulturen
NIF ble brukt som sett for stjerneskip Enterprise 's warp -kjerne i 2013 -filmen Star Trek Into Darkness .
Se også
Merknader
Referanser
Eksterne linker
- "National Ignition Facility: How NIF Works, NIF & Photon Science" . 2010-05-27. Arkivert fra originalen 2010-05-27 . Hentet 2020-12-05 .
- "Lasere, fotonikk og fusjonsvitenskap: Vitenskap og teknologi på oppdrag" . lasers.llnl.gov . Hentet 2020-12-05 .
- "NIF -direktør, dr. Ed Moses, om anleggets fremgang" . Ingenia . Desember 2007. Arkivert fra originalen 2011-10-02 . Hentet 2020-12-05 .
- "NIF -prosjektdirektør Moses sier anlegget er klart til å gå" . spie.org . Hentet 2020-12-05 .
- EST, Newsweek Staff 13.11.09 kl. 19.00 (2009-11-13). "Inside Livermore Lab's Race to Invent Clean Energy" . Newsweek . Hentet 2020-12-05 .
- eric. "NIF Laser Fusion in Fulldome" . Hentet 2020-12-05 .
- CleryNov. 23, Daniel; 2020; Am, 10:45 (2020-11-23). "Laserfusjonsreaktor nærmer seg" brennende plasma "milepæl" . Vitenskap | AAAS . Hentet 2020-12-05 .CS1 -vedlikehold: numeriske navn: forfatterliste ( lenke )
Koordinater : 37 ° 41′27 ″ N 121 ° 42′02 ″ W / 37.690859 ° N 121.700556 ° W