Instalação Nacional de Ignição - National Ignition Facility
O National Ignition Facility ( NIF ) é um grande dispositivo de pesquisa de fusão por confinamento inercial (ICF) baseado em laser , localizado no Laboratório Nacional Lawrence Livermore em Livermore, Califórnia . O NIF usa lasers para aquecer e comprimir uma pequena quantidade de combustível hidrogênio com o objetivo de induzir reações de fusão nuclear . A missão do NIF é atingir a ignição por fusão com alto ganho de energia e apoiar a manutenção e o projeto de armas nucleares , estudando o comportamento da matéria nas condições encontradas nas armas nucleares. NIF é o maior e mais eficiente dispositivo ICF construído até hoje, e o maior laser do mundo.
O conceito básico de todos os dispositivos ICF é colapsar rapidamente uma pequena quantidade de combustível para que a pressão e a temperatura atinjam as condições relevantes para a fusão. O NIF faz isso aquecendo a camada externa de uma pequena esfera de plástico com o laser mais energético do mundo . A energia do laser é tão intensa que faz com que o plástico exploda, comprimindo o combustível de dentro. A velocidade desse processo é enorme, com o combustível atingindo um pico em torno de 350 km / s, elevando a densidade da água para cerca de 100 vezes a do chumbo . O fornecimento de energia e o processo adiabático durante o colapso elevam a temperatura do combustível a centenas de milhões de graus. Nessas temperaturas, os processos de fusão ocorrem muito rapidamente, antes que a energia gerada no combustível o faça explodir para fora também.
A construção do NIF começou em 1997, mas problemas de gerenciamento e atrasos técnicos retardaram o progresso no início dos anos 2000. O progresso depois de 2000 foi mais suave, mas em comparação com as estimativas iniciais, o NIF foi concluído cinco anos atrasado e foi quase quatro vezes mais caro do que o inicialmente orçado. A construção foi certificada como concluída em 31 de março de 2009 pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos , e uma cerimônia de dedicação ocorreu em 29 de maio de 2009. Os primeiros experimentos com alvos de laser em grande escala foram realizados em junho de 2009 e os primeiros "experimentos de ignição integrada" (que testaram energia do laser) foram declarados concluídos em outubro de 2010.
Trazer o sistema ao seu potencial máximo foi um processo demorado que foi realizado de 2009 a 2012. Durante este período, uma série de experimentos foram trabalhados no processo no âmbito da Campanha Nacional de Ignição, com o objetivo de atingir a ignição logo após o laser atingir a plenitude energia, em algum momento do segundo semestre de 2012. A Campanha terminou oficialmente em setembro de 2012, por volta de 1 ⁄ 10 das condições necessárias para o acendimento. Desde 2012, o NIF tem sido usado principalmente para ciência de materiais e pesquisa de armas. Em 2021, após muitos anos de pesquisa no projeto de alvos de combustível, o NIF produziu 70% da energia do laser, batendo o recorde estabelecido em 1997 pelo reator JET com 67%.
Descrição
ICF básico
Dispositivos de fusão de confinamento inercial (ICF) usam drivers para aquecer rapidamente as camadas externas de um alvo a fim de comprimi-lo. O alvo é uma pequena pelota esférica contendo alguns miligramas de combustível de fusão, normalmente uma mistura de deutério (D) e trítio (T). A energia do laser aquece a superfície da pelota em um plasma , que explode na superfície. A porção restante do alvo é dirigida para dentro, eventualmente comprimindo-o em um pequeno ponto de densidade extremamente alta. A explosão rápida também cria uma onda de choque que viaja em direção ao centro do combustível comprimido de todos os lados. Quando atinge o centro do combustível, um pequeno volume é ainda mais aquecido e comprimido a um grau maior. Quando a temperatura e a densidade desse pequeno ponto são elevadas o suficiente, as reações de fusão ocorrem e liberam energia.
As reações de fusão liberam partículas de alta energia, algumas das quais, principalmente partículas alfa , colidem com o combustível de alta densidade circundante e o aquecem ainda mais. Se esse processo depositar energia suficiente em uma determinada área, ele pode fazer com que o combustível também sofra fusão. No entanto, o combustível também está perdendo calor por meio de perdas de raios-X e elétrons quentes deixando a área de combustível, de modo que a taxa de aquecimento alfa deve ser maior do que essas perdas, uma condição conhecida como bootstrapping . Dadas as condições gerais corretas do combustível comprimido - densidade e temperatura suficientemente altas - esse processo de bootstrapping resultará em uma reação em cadeia , queimando para fora do centro onde a onda de choque iniciou a reação. Esta é uma condição conhecida como ignição , que fará com que uma porção significativa do combustível no alvo sofra fusão e libere grandes quantidades de energia.
Até o momento, a maioria dos experimentos da ICF usou lasers para aquecer o alvo. Os cálculos mostram que a energia deve ser fornecida rapidamente para comprimir o núcleo antes que ele se desmonte. A energia do laser também deve ser focada de forma extremamente uniforme na superfície externa do alvo, a fim de colapsar o combustível em um núcleo simétrico. Embora outros drivers tenham sido sugeridos, principalmente íons pesados acionados por aceleradores de partículas , os lasers são atualmente os únicos dispositivos com a combinação certa de recursos.
Driver laser
O NIF tem como objetivo criar um único pico de flash de luz de 500 terawatts (TW) que atinge o alvo de várias direções ao mesmo tempo, em poucos picossegundos . O projeto usa 192 linhas de luz em um sistema paralelo de lasers de vidro fosfato dopado com neodímio e bombeados com lâmpada .
Para garantir que a saída das linhas de luz seja uniforme, a luz laser inicial é amplificada de uma única fonte no Sistema de Injeção de Laser (ILS). Isso começa com um flash de baixa potência de luz infravermelha de 1.053 nanômetros (nm) gerada em um laser de fibra óptica dopado com itérbio conhecido como Oscilador Mestre. A luz do Oscilador Mestre é dividida e direcionada em 48 Módulos Pré-amplificadores (PAMs). Cada PAM contém um processo de amplificação de dois estágios. O primeiro estágio é um amplificador regenerativo no qual o pulso circula de 30 a 60 vezes, aumentando a energia de nanojoules para dezenas de milijoules. A luz então passa quatro vezes por um circuito contendo um amplificador de vidro de neodímio semelhante (mas muito menor) aos usados nas linhas de luz principais, aumentando os nanojoules de luz criados no Oscilador Mestre para cerca de 6 joules. De acordo com o Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), o projeto dos PAMs foi um dos maiores desafios durante a construção. As melhorias no design desde então permitiram que eles superassem seus objetivos iniciais de design.
A amplificação principal ocorre em uma série de amplificadores de vidro localizados em uma extremidade das linhas de luz. Antes de disparar, os amplificadores são primeiro bombeados opticamente por um total de 7.680 lâmpadas de flash de xenônio (os PAMs também têm suas próprias lâmpadas de flash menores). As lâmpadas são alimentadas por um banco de capacitores que armazena um total de 422 MJ (117 kWh) de energia elétrica. Quando a frente de onda passa por eles, os amplificadores liberam parte da energia da luz armazenada neles para o feixe. Para melhorar a transferência de energia, os feixes são enviados pela seção principal do amplificador quatro vezes, por meio de uma chave ótica localizada em uma cavidade espelhada. No total, esses amplificadores aumentam os 6 J originais fornecidos pelos PAMs para 4 MJ nominais. Dada a escala de tempo de alguns bilionésimos de segundo, o pico de energia UV entregue ao alvo é correspondentemente muito alto, 500 TW.
Perto do centro de cada linha de luz, e ocupando a maior parte do comprimento total, estão os filtros espaciais . Eles consistem em tubos longos com pequenos telescópios na extremidade que focalizam o feixe de laser até um ponto minúsculo no centro do tubo, onde uma máscara corta qualquer luz dispersa fora do ponto focal. Os filtros garantem que a imagem do feixe ao atingir o alvo seja extremamente uniforme, removendo qualquer luz que tenha sido mal focada por imperfeições na ótica a montante. Os filtros espaciais foram um grande passo à frente no trabalho da ICF quando foram introduzidos no laser Cyclops , um experimento LLNL anterior.
O comprimento total do caminho que o feixe de laser se propaga de uma extremidade a outra, incluindo interruptores, é de cerca de 1.500 metros (4.900 pés). Os vários elementos ópticos nas linhas de luz são geralmente embalados em Unidades Substituíveis em Linha (LRUs), caixas padronizadas do tamanho de uma máquina de venda automática que podem ser descartadas da linha de luz para substituição por baixo.
Depois que a amplificação for concluída, a luz é trocada de volta para a linha de luz, onde segue para a extremidade do edifício até a câmara-alvo . A câmara alvo é uma esfera de aço com várias peças de 10 metros de diâmetro (33 pés), pesando 130.000 quilogramas (290.000 lb). Pouco antes de chegar à câmara-alvo, a luz é refletida em vários espelhos no pátio de manobra e na área-alvo, a fim de incidir no alvo de diferentes direções. Como o comprimento do caminho geral do Oscilador Mestre até o alvo é diferente para cada uma das linhas de luz, a óptica é usada para atrasar a luz a fim de garantir que todas elas atinjam o centro com alguns picossegundos uma da outra. O NIF normalmente direciona o laser para a câmara de cima e de baixo. A área-alvo e o sistema de manobra podem ser reconfigurados movendo metade das 48 linhas de luz para posições alternadas mais perto do equador da câmara-alvo.
Uma das últimas etapas do processo antes de chegar à câmara de destino é converter a luz infravermelha (IR) de 1053 nm em ultravioleta (UV) de 351 nm em um dispositivo conhecido como conversor de frequência . Estes são feitos de folhas finas (cerca de 1 cm de espessura) cortadas de um único cristal de dihidrogenofosfato de potássio . Quando a luz de 1053 nm (IR) passa pela primeira de duas dessas folhas, a adição de frequência converte uma grande fração da luz em luz de 527 nm (verde). Ao passar pela segunda folha, a combinação de frequência converte grande parte da luz de 527 nm e a luz de 1053 nm restante em luz de 351 nm (UV). A luz infravermelha (IR) é muito menos eficaz do que a UV no aquecimento dos alvos, porque o IR acopla-se mais fortemente com elétrons quentes, o que absorverá uma quantidade considerável de energia e interferirá na compressão. O processo de conversão pode atingir eficiências de pico de cerca de 80 por cento para um pulso de laser que tem uma forma temporal plana , mas a forma temporal necessária para a ignição varia significativamente ao longo da duração do pulso. O processo de conversão real é cerca de 50 por cento eficiente, reduzindo a energia entregue a 1,8 MJ nominal.
Um aspecto importante de qualquer projeto de pesquisa da ICF é garantir que os experimentos possam realmente ser realizados em tempo hábil. Dispositivos anteriores geralmente tinham que esfriar por muitas horas para permitir que as lâmpadas e o vidro do laser recuperassem suas formas após o disparo (devido à expansão térmica), limitando o uso a um ou menos disparos por dia. Uma das metas do NIF é reduzir esse tempo para menos de quatro horas, para permitir 700 disparos por ano.
NIF e ICF
O nome National Ignition Facility refere-se ao objetivo de inflamar o combustível de fusão, um limiar há muito procurado na pesquisa de fusão. Em experimentos de fusão existentes (sem arma), o calor produzido pelas reações de fusão escapa rapidamente do plasma, o que significa que o aquecimento externo deve ser aplicado continuamente para manter as reações em andamento. A ignição se refere ao ponto em que a energia emitida nas reações de fusão em andamento é alta o suficiente para manter a temperatura do combustível contra essas perdas. Isso causa uma reação em cadeia que permite que a maior parte do combustível sofra uma queima nuclear . A ignição é considerada um requisito fundamental para que a energia de fusão venha a se tornar prática.
O NIF foi projetado principalmente para usar o método de operação de acionamento indireto , no qual o laser aquece um pequeno cilindro de metal em vez da cápsula dentro dele. O calor faz com que o cilindro, conhecido como hohlraum (alemão para "sala oca" ou cavidade), reemita a energia na forma de raios X intensos , que são mais uniformemente distribuídos e simétricos do que os feixes de laser originais. Sistemas experimentais, incluindo os lasers OMEGA e Nova , validaram essa abordagem até o final da década de 1980. No caso do NIF, a grande potência fornecida permite o uso de um alvo muito maior; o desenho do pellet de linha de base tem cerca de 2 mm de diâmetro, resfriado a cerca de 18 kelvins (−255 ° C) e revestido com uma camada de combustível DT congelado. O interior oco também contém uma pequena quantidade de gás DT.
Em um experimento típico, o laser irá gerar 3 MJ de energia do laser infravermelho de um possível 4. Cerca de 1,5 MJ disso é deixado após a conversão para UV, e cerca de 15 por cento disso é perdido na conversão de raios-x no hohlraum. Cerca de 15 por cento dos raios-X resultantes, cerca de 150 kJ, serão absorvidos pelas camadas externas do alvo. O acoplamento entre a cápsula e os raios X apresenta perdas e, no final das contas, apenas cerca de 10 a 14 kJ de energia são depositados no próprio combustível.
A compressão para dentro, dirigida resultante é esperado para comprimir o combustível no centro do alvo a uma densidade de cerca de 1,000 g / cm 3 (ou 1000000 quilogramas / m 3 ); para comparação, o chumbo tem uma densidade normal de cerca de 11 g / cm 3 (11.340 kg / m 3 ). A pressão é equivalente a 300 bilhões de atmosferas.
Com base em simulações, esperava-se que isso produzisse cerca de 20 MJ de energia de fusão a ser liberada, resultando em um ganho líquido de energia de fusão, denominado Q , de cerca de 15 (saída de energia de fusão / entrada de energia do laser UV). As melhorias no sistema de laser e no design hohlraum são esperadas para melhorar a energia absorvida pela cápsula para cerca de 420 kJ (e, portanto, talvez 40 a 50 no próprio combustível), o que, por sua vez, poderia gerar até 100-150 MJ de energia de fusão. No entanto, o projeto da linha de base permite um máximo de cerca de 45 MJ de liberação de energia de fusão, devido ao projeto da câmara alvo. Isso é o equivalente a cerca de 11 kg de TNT explodindo.
Essas energias de saída ainda são menores do que os 422 MJ de energia de entrada necessários para carregar os capacitores do sistema que alimentam os amplificadores de laser. A eficiência líquida da tomada de parede de NIF (energia do laser UV dividida pela energia necessária para bombear os lasers de uma fonte externa) seria inferior a um por cento, e a eficiência total da parede à fusão é inferior a 10% em seu máximo atuação. Um reator de fusão econômico exigiria que a saída de fusão fosse pelo menos uma ordem de magnitude maior do que esta entrada. Os sistemas de fusão a laser comerciais usariam os lasers de estado sólido bombeados por diodo muito mais eficientes , onde eficiências de tomada de parede de 10 por cento foram demonstradas e eficiências de 16 a 18 por cento são esperadas com conceitos avançados em desenvolvimento.
Outros conceitos
O NIF também está explorando novos tipos de alvos. Experimentos anteriores geralmente usavam abladores de plástico , normalmente poliestireno (CH). Os alvos do NIF também são construídos revestindo uma forma de plástico com uma camada de berílio pulverizado ou ligas de berílio-cobre e, em seguida, oxidando o plástico a partir do centro. Em comparação com os alvos de plástico tradicionais, os alvos de berílio oferecem maior eficiência geral de implosão para o modo de acionamento indireto, onde a energia de entrada está na forma de raios-x.
Embora o NIF tenha sido projetado principalmente como um dispositivo de acionamento indireto, a energia do laser é alta o suficiente para ser usada também como um sistema de acionamento direto , onde o laser incide diretamente no alvo. Mesmo em comprimentos de onda UV, a potência fornecida pelo NIF é estimada em mais do que suficiente para causar a ignição, resultando em ganhos de energia de fusão de cerca de 40 vezes, um pouco mais alto do que o sistema de acionamento indireto. Um layout de feixe mais uniforme, adequado para experimentos de acionamento direto, pode ser organizado por meio de mudanças no pátio de manobras que movem metade das linhas de luz para locais mais próximos do meio da câmara-alvo.
Foi demonstrado, usando implosões em escala no laser OMEGA e simulações de computador, que o NIF também deve ser capaz de acender uma cápsula usando a chamada configuração de unidade direta polar (PDD), onde o alvo é irradiado diretamente pelo laser, mas apenas da parte superior e inferior, sem alterações no layout da linha de luz NIF. Nesta configuração, o alvo sofre uma anisotropia "panqueca" ou "charuto" na implosão, reduzindo a temperatura máxima no núcleo.
Outros alvos, chamados de alvos de saturno , são projetados especificamente para reduzir a anisotropia e melhorar a implosão. Eles apresentam um pequeno anel de plástico ao redor do "equador" do alvo, que rapidamente se vaporiza em um plasma quando atingido pelo laser. Parte da luz do laser é refratada por esse plasma de volta ao equador do alvo, nivelando o aquecimento. Acredita-se que a ignição com ganhos de pouco mais de trinta e cinco vezes seja possível usando esses alvos no NIF, produzindo resultados quase tão bons quanto a abordagem de acionamento direto totalmente simétrico.
História
Impulso
A história do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) com o programa ICF começa com o físico John Nuckolls , que começou a considerar o problema após uma reunião de 1957 sobre o uso pacífico de armas nucleares organizada por Edward Teller no LLNL. Durante essas reuniões, a ideia mais tarde conhecida como PACER foi desenvolvida pela primeira vez. PACER imaginou a explosão de pequenas bombas de hidrogênio em grandes cavernas para gerar vapor que seria convertido em energia elétrica. Depois de identificar vários problemas com essa abordagem, Nuckolls ficou interessado em entender o quão pequena uma bomba poderia ser feita, que ainda geraria energia positiva líquida.
Existem duas partes em uma bomba de hidrogênio típica, uma bomba de fissão à base de plutônio conhecida como primária e um arranjo cilíndrico de combustíveis de fusão conhecido como secundário . O primário libera uma quantidade significativa de raios-x, que ficam presos dentro do invólucro da bomba e aquecem e comprimem o secundário até que sofra a ignição. O secundário consiste em combustível deutereto de lítio , que requer uma fonte externa de nêutrons para iniciar a reação. Normalmente, tem a forma de uma pequena "vela de ignição" de plutônio no centro do combustível. A ideia de Nuckolls era explorar o quão pequeno o secundário poderia ser feito e que efeitos isso teria na energia necessária do primário para causar a ignição. A mudança mais simples é substituir o combustível LiD pelo gás DT, eliminando a necessidade da vela de ignição. Nesse ponto, não há menor tamanho teórico - à medida que o secundário ficava menor, também diminuía a quantidade de energia necessária para alcançar a ignição. No nível do miligrama, os níveis de energia começaram a se aproximar daqueles disponíveis por meio de vários dispositivos conhecidos.
No início dos anos 1960, Nuckolls e vários outros projetistas de armas desenvolveram os contornos da abordagem da CIF. O combustível DT seria colocado em uma pequena cápsula, projetada para ablação rápida quando aquecido e, assim, maximizar a compressão e a formação de ondas de choque. Esta cápsula seria colocada dentro de uma cápsula projetada, o hohlraum, que agia de forma semelhante ao invólucro da bomba. No entanto, o hohlraum não precisava ser aquecido por raios-X; qualquer fonte de energia poderia ser usada, desde que fornecesse energia suficiente para fazer o hohlraum se aquecer e começar a emitir raios-x. Idealmente, a fonte de energia estaria localizada a alguma distância, para isolar mecanicamente as duas extremidades da reação. Uma pequena bomba atômica poderia ser usada como fonte de energia, como acontece com uma bomba de hidrogênio, mas o ideal seria que fontes de energia menores fossem usadas. Usando simulações de computador, as equipes estimaram que cerca de 5 MJ de energia seriam necessários do primário, gerando um feixe de 1 MJ. Para colocar isso em perspectiva, um pequeno primário de fissão de 0,5 kt libera 2 milhões de MJ no total.
Programa ICF começa
Enquanto Nuckolls e LLNL trabalhavam em conceitos baseados em hohlraum, o ex-designer de armas Ray Kidder trabalhava no conceito de drive direto, usando um grande número de feixes de laser para aquecer uniformemente a cápsula alvo. No início dos anos 1970, Kidder formou a KMS Fusion para comercializar diretamente esse conceito. Isso gerou intensa rivalidade entre Kidder e os laboratórios de armas. Anteriormente ignorado, o ICF era agora um tema quente e a maioria dos laboratórios logo iniciou seus próprios esforços de ICF. O LLNL decidiu desde o início se concentrar em lasers de vidro, enquanto outras instalações estudavam lasers de gás usando dióxido de carbono (por exemplo, ANTARES, Laboratório Nacional de Los Alamos ) ou KrF (por exemplo , laser Nike , Laboratório de Pesquisa Naval ).
Ao longo desses estágios iniciais de desenvolvimento, muito da compreensão do processo de fusão foi o resultado de simulações de computador, principalmente LASNEX . O LASNEX simplificou muito a reação a uma simulação bidimensional, o que foi tudo o que foi possível dada a quantidade de capacidade de computação da época. De acordo com a LASNEX, drivers de laser na faixa kJ teriam as propriedades necessárias para atingir baixo ganho, o que estava dentro do estado da arte. Isso levou ao projeto de laser Shiva , que foi concluído em 1977. Contrariamente às previsões, Shiva ficou muito aquém de seus objetivos, e as densidades alcançadas foram milhares de vezes menores do que o previsto. Isso foi atribuído a problemas com a forma como o laser distribuía calor ao alvo, que distribuía a maior parte de sua energia para os elétrons, em vez de toda a massa do combustível. Outros experimentos e simulações demonstraram que esse processo poderia ser dramaticamente melhorado com o uso de comprimentos de onda mais curtos de luz laser.
Outras atualizações nos programas de simulação, responsáveis por esses efeitos, previram um novo design que chegaria à ignição. Este novo sistema surgiu como o conceito de laser Nova de 200 kJ de 20 feixes . Durante a fase inicial de construção, Nuckolls encontrou um erro em seus cálculos, e uma revisão de outubro de 1979, presidida por John Foster Jr. da TRW, confirmou que não havia maneira de o Nova chegar à ignição. O projeto Nova foi então modificado para um projeto menor de 10 feixes que adicionou conversão de frequência para luz de 351 nm, o que aumentaria a eficiência de acoplamento. Em operação, a Nova foi capaz de fornecer cerca de 30 kJ de energia do laser UV, cerca de metade do que era inicialmente esperado, principalmente devido aos limites definidos por danos ópticos para a óptica de foco final. Mesmo nesses níveis, estava claro que as previsões para a produção de fusão ainda estavam erradas; mesmo com os poderes limitados disponíveis, os rendimentos da fusão ficaram muito abaixo das previsões.
Halite e Centurion
A cada experimento, a energia prevista necessária para alcançar a ignição aumentava, e não estava claro se as previsões pós-Nova eram mais precisas do que as anteriores. O Departamento de Energia (DOE) decidiu que a experimentação direta era a melhor maneira de resolver a questão e, em 1978, eles começaram uma série de experimentos subterrâneos no local de teste de Nevada que usaram pequenas bombas nucleares para iluminar os alvos da ICF. Os testes eram conhecidos como Halite ou Centurion dependendo de qual laboratório o executava, LLNL ou LANL.
Cada teste foi capaz de iluminar simultaneamente muitos alvos, permitindo-lhes testar a quantidade de energia de raios-X necessária, colocando os alvos a distâncias diferentes da bomba. Outra questão era quão grande o conjunto de combustível tinha que ser para que o combustível se autoaquecesse das reações de fusão e, assim, chegasse à ignição. Os dados iniciais estavam disponíveis em meados de 1984 e os testes foram interrompidos em 1988. A ignição foi alcançada pela primeira vez durante esses testes, mas a quantidade de energia e o tamanho dos alvos de combustível necessários para atingir a ignição eram muito maiores do que o previsto. Nesse mesmo período, começaram os experimentos no Nova usando alvos semelhantes para entender seu comportamento sob iluminação a laser, permitindo a comparação direta com os resultados obtidos nos testes de bomba.
Os dados dos testes sugeriram que cerca de 10 MJ de energia de raios-X seriam necessários para atingir a ignição. Se essa energia for fornecida por um laser infravermelho a um hohlraum, como em Nova ou NIF, isso corresponde a uma energia laser original da ordem de 100 MJ, muito além do alcance das tecnologias existentes.
Como resultado, um grande debate estourou no estabelecimento do ICF. Um grupo sugeriu que eles tentassem construir um laser deste poder; Leonardo Mascheroni e Claude Phipps projetaram um novo tipo de laser de fluoreto de hidrogênio que era bombeado por elétrons de alta energia que seriam capazes de atingir o limite de 100 MJ. Outros usaram os mesmos dados e novas versões de suas simulações de computador com base nesses experimentos que sugeriram que a modelagem cuidadosa do pulso de laser e o uso de mais feixes espalhados de maneira mais uniforme mostraram que a ignição e ganhos de energia líquidos poderiam ser alcançados com um laser entre 5 e 10 MJ .
Esses resultados levaram o DOE a solicitar uma instalação militar personalizada da ICF, que eles chamaram de "Instalação de Microfusão de Laboratório" (LMF). LMF usaria um driver da ordem de 10 MJ, entregando rendimentos de fusão entre 100 e 1.000 MJ. Uma revisão de 1989/90 desse conceito pela National Academy of Sciences sugeriu que o LMF era um passo grande demais para ser dado de uma vez, e que questões fundamentais da física ainda precisavam ser exploradas. Eles recomendaram mais experimentos antes de tentar mudar para um sistema de 10 MJ. No entanto, os autores estavam cientes do potencial para requisitos de energia mais elevados e observaram "Na verdade, se fosse descoberto que um driver de 100 MJ era necessário para ignição e ganho, seria necessário repensar toda a abordagem e justificativa para ICF ".
Atualização LMF e Nova
A construção do LMF foi estimada em cerca de US $ 1 bilhão. O LLNL apresentou inicialmente um projeto com um driver laser 5 MJ 350 nm (UV) que seria capaz de atingir um rendimento de cerca de 200 MJ, o que era suficiente para atingir a maioria dos objetivos do LMF. O programa foi estimado em cerca de $ 600 milhões de dólares no ano fiscal de 1989 e um adicional de $ 250 milhões para atualizá-lo para 1.000 MJ completos, se necessário, e aumentaria para bem mais de $ 1 bilhão se LMF cumprisse todas as metas solicitadas pelo DOE . Outros laboratórios também propuseram seus próprios projetos de LMF usando outras tecnologias.
A revisão da National Academy of Sciences levou a uma reavaliação desses planos e, em julho de 1990, o LLNL respondeu com a atualização do Nova, que reutilizaria a maior parte das instalações existentes da Nova, junto com as instalações adjacentes de Shiva. O sistema resultante seria uma potência muito menor do que o conceito LMF, com um driver de cerca de 1 MJ. O novo design incluiu uma série de recursos que avançaram o estado da arte na seção do driver, incluindo o design multi-pass nos amplificadores principais e 18 linhas de luz (de 10) que foram divididas em 288 "feixes" quando entraram a área alvo para melhorar a uniformidade de iluminação. Os planos previam a instalação de dois bancos principais de linhas de luz laser, uma na sala da linha de luz Nova existente e a outra no prédio mais antigo da Shiva ao lado, estendendo-se através de seu compartimento de laser e área-alvo em uma área-alvo Nova atualizada. Os lasers forneceriam cerca de 500 TW em um pulso de 4 ns. Esperava-se que as atualizações permitissem que o novo Nova produzisse rendimentos de fusão entre 2 e 10 MJ. As estimativas iniciais de 1992 estimavam os custos de construção em torno de $ 400 milhões, com a construção ocorrendo de 1995 a 1999.
NIF emerge
Ao longo desse período, o fim da Guerra Fria levou a mudanças dramáticas no financiamento e nas prioridades da defesa. Como a necessidade de armas nucleares foi grandemente reduzida e vários acordos de limitação de armas levaram a uma redução na contagem de ogivas, os EUA enfrentaram a perspectiva de perder uma geração de projetistas de armas nucleares capazes de manter os estoques existentes ou projetar novas armas. Ao mesmo tempo, estava sendo feito progresso no que se tornaria o Tratado de Proibição Total de Testes Nucleares , que proibiria todos os testes de criticidade . Isso tornaria o desenvolvimento confiável de novas gerações de armas nucleares muito mais difícil.
Dessas mudanças surgiu o Programa de Gerenciamento e Gerenciamento de Estoque (SSMP), que, entre outras coisas, incluiu fundos para o desenvolvimento de métodos de projeto e construção de armas nucleares que funcionariam sem a necessidade de testes explosivos. Em uma série de reuniões iniciadas em 1995, foi firmado um acordo entre os laboratórios para dividir os esforços do SSMP. Uma parte importante disso seria a confirmação de modelos de computador usando experimentos ICF de baixo rendimento. O Nova Upgrade era muito pequeno para usar nesses experimentos, e um redesenho surgiu como NIF em 1994. O custo estimado do projeto permaneceu em pouco mais de US $ 1 bilhão, com conclusão em 2002.
Apesar do acordo, o grande custo do projeto combinado com o término de projetos semelhantes em outros laboratórios resultou em vários comentários altamente críticos de cientistas em outros laboratórios de armas, em particular o Sandia National Laboratories . Em maio de 1997, o cientista de fusão Sandia Rick Spielman declarou publicamente que o NIF tinha "virtualmente nenhuma revisão interna por pares sobre as questões técnicas" e que "Livermore essencialmente escolheu o painel para se auto-avaliar". Um gerente aposentado do Sandia, Bob Puerifoy, foi ainda mais direto do que Spielman: "O NIF não vale nada ... não pode ser usado para manter o estoque, ponto final".
Uma visão contrastante foi expressa por Victor Reis, secretário assistente para Programas de Defesa dentro do DOE e arquiteto-chefe do Programa de Manejo de Estoque. Reis disse ao US House Armed Services Committee em 1997 que o NIF foi "projetado para produzir, pela primeira vez em um ambiente de laboratório, condições de temperatura e densidade de matéria próximas às que ocorrem na detonação de armas nucleares. A capacidade de estudar o comportamento da matéria e a transferência de energia e radiação sob essas condições é a chave para compreender a física básica das armas nucleares e prever seu desempenho sem testes nucleares subterrâneos. Dois painéis JASON, que são compostos por especialistas científicos e técnicos em segurança nacional, afirmaram que o NIF é o mais cientificamente valioso de todos os programas propostos para a gestão de estoques com base científica.
Apesar das críticas iniciais, Sandia, bem como Los Alamos, forneceram apoio no desenvolvimento de muitas tecnologias NIF, e ambos os laboratórios mais tarde se tornaram parceiros da NIF na Campanha Nacional de Ignição.
Construindo NIF
O trabalho no NIF começou com um único demonstrador de linha de luz, Beamlet. A Beamlet operou entre 1994 e 1997 e foi um sucesso total. Ele foi então enviado para Sandia National Laboratories como uma fonte de luz em sua máquina Z . Seguiu-se um demonstrador em tamanho real, na AMPLAB, que começou a operar em 1997. O lançamento oficial no local principal do NIF foi em 29 de maio de 1997.
Na época, o DOE estava estimando que o NIF custaria aproximadamente $ 1,1 bilhão e outro $ 1 bilhão para pesquisas relacionadas, e estaria concluído no início de 2002. Mais tarde, em 1997, o DOE aprovou um financiamento adicional de $ 100 milhões e adiou a data operacional de volta a 2004. Em 1998, os documentos públicos do LLNL afirmavam que o preço geral era de US $ 1,2 bilhão, com os primeiros oito lasers entrando em operação em 2001 e concluídos integralmente em 2003.
A escala física da instalação por si só tornava o projeto de construção desafiador. Quando a "instalação convencional" (a carcaça do laser) foi concluída em 2001, mais de 210.000 jardas cúbicas de solo foram escavadas, mais de 73.000 jardas cúbicas de concreto foram despejadas, 7.600 toneladas de vergalhão de aço foram colocadas, e mais de 5.000 toneladas de aço estrutural foram erguidas. Além de seu tamanho, a construção do NIF apresentou uma série de desafios únicos. Para isolar o sistema de laser da vibração, a fundação de cada compartimento de laser foi feita independente do resto da estrutura. As lajes de três pés de espessura, 420 pés de comprimento e 80 pés de largura, cada uma contendo 3.800 jardas cúbicas de concreto, exigiam derramamentos contínuos de concreto para atingir suas especificações.
Houve também desafios inesperados para enfrentar: em novembro de 1997, uma frente climática El Niño despejou cinco centímetros de chuva em duas horas, inundando o local do NIF com 200.000 galões de água apenas três dias antes do lançamento planejado da fundação de concreto. A terra estava tão encharcada que a moldura do muro de contenção afundou 15 centímetros, obrigando a tripulação a desmontá-lo e remontá-lo para despejar o concreto. A construção foi interrompida em dezembro de 1997, quando ossos de mamute de 16.000 anos foram descobertos no local da construção. Paleontologistas foram chamados para remover e preservar os ossos, e a construção foi reiniciada em quatro dias.
Uma variedade de desafios de pesquisa e desenvolvimento, tecnologia e engenharia também tiveram que ser superados, como trabalhar com a indústria ótica para criar uma grande capacidade de fabricação ótica de precisão para fornecer o vidro do laser para as óticas de 7.500 metros do NIF. Técnicas de medição óptica, revestimento e acabamento de última geração eram necessárias para resistir aos lasers de alta energia do NIF, assim como métodos para amplificar os feixes de laser para os níveis de energia necessários. Vidro de vazamento contínuo, cristais de crescimento rápido, interruptores óticos inovadores e espelhos deformáveis estão entre as inovações tecnológicas desenvolvidas para NIF.
Sandia, com vasta experiência em fornecimento de energia pulsada, projetou os bancos de capacitores usados para alimentar as lanternas, concluindo a primeira unidade em outubro de 1998. Para surpresa de todos, os Módulos de Condicionamento de Energia Pulsada (PCMs) sofreram falhas de capacitor que levaram a explosões. Isso exigiu um redesenho do módulo para conter os detritos, mas como a estrutura de concreto dos edifícios que os sustentavam já havia sido concretada, isso deixou os novos módulos tão compactados que não havia como fazer a manutenção no local. Ainda outro redesenho se seguiu, desta vez permitindo que os módulos fossem removidos dos compartimentos para manutenção. Problemas contínuos desse tipo atrasaram ainda mais o início operacional do projeto e, em setembro de 1999, um relatório atualizado do DOE afirmou que o NIF exigiria até $ 350 milhões a mais e a conclusão seria adiada para 2006.
Re-baseline e relatório GAO
Ao longo deste período, os problemas com o NIF não foram relatados na cadeia de gestão. Em 1999, o secretário de Energia Bill Richardson relatou ao Congresso que o projeto do NIF estava dentro do prazo e do orçamento, seguindo as informações que lhe foram transmitidas pela administração do NIF. Em agosto daquele ano, foi revelado que a administração do NIF havia enganado Richardson e, de fato, nenhuma das afirmações estava perto da verdade. Como o GAO observaria mais tarde, "Além disso, o ex-diretor de laser do Laboratório, que supervisionou o NIF e todas as outras atividades do laser, garantiu aos gerentes do Laboratório, DOE, da universidade e do Congresso que o projeto do NIF foi adequadamente financiado e dotado de pessoal e estava continuando custo e prazo, mesmo quando ele foi informado sobre evidências claras e crescentes de que o NIF tinha sérios problemas ". Richardson comentou mais tarde "Tenho estado muito preocupado com a gestão desta instalação ... a má gestão ultrapassou a boa ciência. Não quero que isso volte a acontecer". Uma força-tarefa do DOE relatando a Richardson no final de janeiro de 2000 resumiu que "as organizações do projeto NIF falharam em implementar os procedimentos e processos de gerenciamento de programas e projetos proporcionais a um grande projeto de pesquisa e desenvolvimento ... [e que] ... ninguém consegue uma nota de aprovação em Gerenciamento de NIF: não o escritório de Programas de Defesa do DOE, não o Laboratório Nacional Lawrence Livermore e não a Universidade da Califórnia ".
Devido aos problemas orçamentários, o Congresso dos Estados Unidos solicitou uma revisão independente do General Accounting Office (GAO). Eles retornaram um relatório altamente crítico em agosto de 2000, afirmando que o orçamento era provavelmente de $ 3,9 bilhões, incluindo P&D, e que a instalação provavelmente não seria concluída nem perto do prazo. O relatório, " Falhas de gerenciamento e supervisão causaram grandes estouros de custos e atrasos no cronograma ", identificou problemas de gerenciamento para os estouros e também criticou o programa por não incluir uma quantidade considerável de dinheiro dedicado à fabricação de destino no orçamento, incluindo-o operacional custos em vez de desenvolvimento.
Os primeiros atrasos técnicos e problemas de gerenciamento de projeto fizeram com que o DOE começasse uma abrangente "Revisão de Validação de Rebaseline do Projeto da Instalação Nacional de Ignição" em 2000, que fez uma análise crítica do projeto, identificando áreas de preocupação e ajustando o cronograma e o orçamento para garantir a conclusão . John Gordon , Administrador de Segurança Nuclear Nacional, declarou "Preparamos um custo detalhado de baixo para cima e um cronograma para concluir o projeto do NIF ... A revisão independente apóia nossa posição de que a equipe de gerenciamento do NIF fez um progresso significativo e resolveu os problemas anteriores". O relatório revisou sua estimativa de orçamento para $ 2,25 bilhões, sem incluir P&D relacionado, que aumentou para $ 3,3 bilhões no total, e adiou a data de conclusão para 2006 com as primeiras linhas entrando online em 2004. Um relatório de acompanhamento no ano seguinte incluiu todos os esses itens, elevando o orçamento para US $ 4,2 bilhões e a data de conclusão para cerca de 2008.
Progresso após o rebaselining
Uma nova equipe de gerenciamento assumiu o projeto do NIF em setembro de 1999, chefiada por George Miller (que mais tarde se tornou diretor do LLNL em 2006-2011), que foi nomeado diretor associado interino para lasers. Ed Moses , ex-chefe do programa de separação de isótopos a laser de vapor atômico (AVLIS) no LLNL, tornou-se gerente de projeto do NIF. Desde o rebaselining, a gestão do NIF recebeu muitas críticas positivas e o projeto cumpriu os orçamentos e cronogramas aprovados pelo Congresso. Em outubro de 2010, o projeto foi nomeado "Projeto do Ano" pelo Project Management Institute , que citou o NIF como um "exemplo estelar de como a excelência em gerenciamento de projetos adequadamente aplicada pode reunir equipes globais para entregar um projeto desta escala e importância com eficiência . "
As revisões recentes do projeto têm sido positivas, geralmente de acordo com os cronogramas e orçamentos pós-GAO Rebaseline. No entanto, havia preocupações persistentes sobre a capacidade do NIF de alcançar a ignição, pelo menos a curto prazo. Uma revisão independente do JASON Defense Advisory Group foi geralmente positiva sobre as perspectivas do NIF a longo prazo, mas concluiu que "Os desafios científicos e técnicos em uma atividade tão complexa sugerem que o sucesso nas primeiras tentativas de ignição em 2010, embora possível, é improvável". O grupo sugeriu uma série de mudanças no cronograma de conclusão para trazer o NIF ao seu poder total de design o mais rápido possível, pulando um período de teste em potências mais baixas que eles sentiram ter pouco valor.
Testes iniciais e conclusão da construção
Em maio de 2003, o NIF alcançou a "primeira luz" em um feixe de quatro feixes, produzindo um pulso de luz infravermelho de 10,4 kJ em uma única linha de luz. Em 2005, os primeiros oito feixes (um feixe completo) foram disparados produzindo 153 kJ de luz infravermelha, eclipsando o OMEGA como o laser de maior energia (por pulso) do planeta. Em janeiro de 2007, todos os LRUs na Sala do Oscilador Mestre (MOOR) estavam concluídos e a sala de computadores instalada. Em agosto de 2007, 96 linhas de laser foram concluídas e comissionadas, e "Uma energia infravermelha total de mais de 2,5 megajoules foi disparada. Isso é mais de 40 vezes o que o laser Nova normalmente operava na época em que era o maior laser do mundo".
Em 26 de janeiro de 2009, a unidade substituível da linha final (LRU) foi instalada, completando um dos principais marcos finais do projeto de construção do NIF e significando que a construção foi concluída não oficialmente. Em 26 de fevereiro de 2009, pela primeira vez, o NIF disparou todos os 192 feixes de laser na câmara-alvo. Em 10 de março de 2009, o NIF se tornou o primeiro laser a quebrar a barreira do megajoule, disparando todos os 192 feixes e fornecendo 1,1 MJ de luz ultravioleta, conhecido como 3ω (da terceira geração harmônica ), para o centro da câmara alvo em um pulso de ignição moldado. O laser principal entregou 1.952 MJ de energia infravermelha.
Operações
Em 29 de maio de 2009, o NIF foi inaugurado em uma cerimônia com a presença de milhares de pessoas, incluindo o governador da Califórnia Arnold Schwarzenegger e a senadora Dianne Feinstein . Os primeiros tiros de laser em um alvo hohlraum foram disparados no final de junho de 2009.
Desenvolvimento para experimentos principais
Em 28 de janeiro de 2010, a instalação publicou um artigo relatando a entrega de um pulso de 669 kJ a um hohlraum de ouro , estabelecendo novos recordes para entrega de energia por um laser e levando a análises que sugerem que a suspeita de interferência por plasma gerado não seria um problema na ignição de uma reação de fusão. Devido ao tamanho dos hohlraum de teste, as interações de laser / plasma produziram grades ópticas de plasma, agindo como minúsculos prismas, que produziram raios-X simétricos na cápsula dentro do hohlraum.
Depois de alterar gradualmente o comprimento de onda do laser, os cientistas foram capazes de comprimir uma cápsula esférica de maneira uniforme e aquecê-la até 3,3 milhões de kelvins (285 eV). A cápsula continha gás resfriado criogenicamente, atuando como um substituto para as cápsulas de combustível de deutério e trítio que serão usadas posteriormente. O líder do grupo de física de plasma, Dr. Siegfried Glenzer, disse que eles mostraram que podem manter as camadas de combustível precisas necessárias no laboratório, mas ainda não dentro do sistema de laser.
Em janeiro de 2010, o NIF poderia chegar a 1,8 megajoules. Glenzer disse que experimentos com hohlraums ligeiramente maiores contendo pellets de combustível prontos para fusão começariam antes de maio de 2010, aumentando lentamente para 1,2 megajoules - o suficiente para a ignição de acordo com os cálculos. Mas primeiro a câmara-alvo precisava ser equipada com escudos para bloquear os nêutrons que uma reação de fusão produziria. Em 5 de junho de 2010, a equipe do NIF disparou lasers na câmara-alvo pela primeira vez em seis meses; o realinhamento dos feixes ocorreu no final de junho, em preparação para a operação de alta energia adicional.
Campanha Nacional de Ignição
Com a construção principal concluída, o NIF começou a trabalhar na "Campanha Nacional de Ignição" (NIC), a busca pela ignição. A essa altura, os experimentadores estavam tão certos de que a ignição seria alcançada que começaram a aparecer artigos em revistas científicas afirmando que isso seria anunciado pouco tempo depois de o artigo ser publicado. A Scientific American iniciou um artigo de revisão de 2010 com a declaração "A ignição está próxima agora. Dentro de um ou dois anos ..."
O primeiro teste foi realizado em 8 de outubro de 2010 com pouco mais de 1 MJ. No entanto, vários problemas retardaram o avanço em direção às energias do laser de nível de ignição na faixa de 1,4 a 1,5 MJ.
O progresso foi inicialmente retardado pelo potencial de danos por superaquecimento devido a uma concentração de energia nos componentes ópticos que é maior do que qualquer coisa tentada anteriormente. Outros problemas incluíram problemas de camadas de combustível dentro dos alvos e quantidades mínimas de poeira sendo encontradas na superfície da cápsula.
À medida que a potência aumentava e alvos de sofisticação cada vez maior eram usados, apareceu outro problema que estava causando uma implosão assimétrica. Isso acabou sendo atribuído a diminutas quantidades de vapor de água na câmara-alvo, que congelou nas janelas nas extremidades dos hohlraums. Isso foi resolvido redesenhando o hohlraum com duas camadas de vidro em cada extremidade, criando uma janela de tempestade. Steven Koonin, subsecretário do DOE para ciência, visitou o laboratório para uma atualização sobre o NIC em 23 de abril, um dia após o problema da janela ter sido anunciado como resolvido. Em 10 de março, ele descreveu o NIC como "uma meta de importância primordial para o DOE" e expressou que o progresso até o momento "não foi tão rápido quanto eu esperava".
Os disparos da NIC pararam em fevereiro de 2011, quando a máquina foi entregue para experimentos de materiais SSMP. À medida que esses experimentos terminavam, uma série de atualizações planejadas foram realizadas, notadamente uma série de instrumentos de diagnóstico e medição aprimorados. Entre essas mudanças estava a adição do sistema ARC (Advanced Radiographic Capability), que usa 4 dos 192 feixes do NIF como uma fonte de luz de fundo para imagens de alta velocidade da sequência de implosão.
O ARC é essencialmente um laser da classe petawatt com potência de pico excedendo um quatrilhão (10 15 ) de watts. Ele é projetado para produzir raios X mais brilhantes, mais penetrantes e de maior energia do que os que podem ser obtidos com as técnicas radiográficas convencionais. Quando concluído, o ARC será o laser de pulso curto de maior energia do mundo, capaz de criar pulsos de laser com duração de picossegundos para produzir raios X energéticos na faixa de 50-100 keV para experimentos NIF de retroiluminação.
As execuções do NIC foram reiniciadas em maio de 2011 com o objetivo de cronometrar as quatro ondas de choque a laser que comprimem o alvo de fusão com uma precisão muito alta. Os disparos testaram a simetria da unidade de raios-X durante os primeiros três nanossegundos . Tiros de sistema completo disparados na segunda quinzena de maio alcançaram pressões de pico sem precedentes de 50 megabars .
Em janeiro de 2012, Mike Dunne, diretor do programa de energia de fusão a laser do NIF, previu em uma palestra plenária da Photonics West 2012 que a ignição seria alcançada no NIF em outubro de 2012. No mesmo mês, o NIF disparou um recorde de 57 tiros, mais do que em qualquer mês até aquele ponto. Em 15 de março de 2012, o NIF produziu um pulso de laser com 411 trilhões de watts de potência de pico. Em 5 de julho de 2012, ele produziu um pulso mais curto de 1,85 MJ e aumentou a potência de 500 TW.
Relatório DOE, 19 de julho de 2012
A campanha da NIC foi revisada periodicamente por uma equipe liderada por Steven E. Koonin , subsecretário de Ciência. A 6ª revisão, 31 de maio de 2012, foi presidida por David H. Crandall, Conselheiro de Segurança Nacional e Fusão Inercial, sendo Koonin impedido de presidir a revisão devido a um conflito de interesses. A revisão foi conduzida com os mesmos revisores externos, que haviam atendido Koonin anteriormente. Cada um forneceu seu relatório de forma independente, com sua própria estimativa da probabilidade de ocorrer ignição dentro do plano, ou seja, antes de 31 de dezembro de 2012. A conclusão da revisão foi publicada em 19 de julho de 2012.
A revisão anterior, datada de 31 de janeiro de 2012, identificou uma série de melhorias experimentais que foram concluídas ou estão em andamento. O novo relatório elogiou unanimemente a qualidade da instalação: lasers, óticas, alvos, diagnósticos, operações foram todos excelentes, no entanto:
- A conclusão integrada com base neste extenso período de experimentação, no entanto, é que obstáculos consideráveis devem ser superados para alcançar a ignição ou o objetivo de observar o aquecimento alfa inequívoco. De fato, os revisores observam que, dadas as incógnitas com a presente abordagem 'semi-empírica', a probabilidade de ignição antes do final de dezembro é extremamente baixa e até mesmo o objetivo de demonstrar aquecimento alfa inequívoco é desafiador. (Crandall Memo 2012, p. 2)
Além disso, os membros do relatório expressam profundas preocupações sobre as lacunas entre o desempenho observado e os códigos de simulação da CIF, de modo que os códigos atuais são de utilidade limitada no futuro. Especificamente, eles descobriram uma falta de capacidade preditiva do impulso de radiação para a cápsula e interações plasma-laser modeladas inadequadamente. Esses efeitos fazem com que a pressão seja metade a um terço da necessária para a ignição, muito abaixo dos valores previstos. O memorando na página 5 discute a mistura de material do ablator e combustível da cápsula devido a instabilidades hidrodinâmicas na superfície externa do ablator.
O relatório continua sugerindo que o uso de um ablator mais espesso pode melhorar o desempenho, mas isso aumenta sua inércia. Para manter a velocidade de implosão necessária, eles solicitam que a energia do NIF seja aumentada para 2MJ. Também é preciso ter em mente que os lasers de neodímio podem suportar apenas uma quantidade limitada de energia ou podem causar danos permanentes à qualidade óptica do meio de laser. Os revisores questionam se a energia do NIF é ou não suficiente para comprimir indiretamente uma cápsula grande o suficiente para evitar o limite da mistura e atingir a ignição. O relatório concluiu que a ignição dentro do ano civil de 2012 é 'altamente improvável'.
A ignição falha, o foco muda, a vida termina
O NIC terminou oficialmente em 30 de setembro de 2012 sem atingir a ignição. De acordo com vários artigos na imprensa, o Congresso está preocupado com o andamento do projeto e os argumentos de financiamento podem começar de novo. Esses relatórios também sugeriram que o NIF mudará seu foco da ignição para a pesquisa de materiais.
Em 2008, quando o NIF estava chegando ao fim, o LLNL começou o programa de Energia de Fusão Inercial a Laser , ou LIFE, para explorar maneiras de usar as tecnologias NIF como base para um projeto de usina de energia comercial. Os primeiros estudos consideraram o conceito de híbrido de fissão-fusão , mas a partir de 2009 o foco estava em dispositivos de fusão pura, incorporando uma série de tecnologias que estavam sendo desenvolvidas em paralelo com o NIF que melhoraria muito o desempenho do projeto.
Todos esses, no entanto, foram baseados na ideia de que o NIF alcançaria a ignição e que apenas pequenas alterações no projeto básico seriam necessárias para melhorar o desempenho. Em abril de 2014, Livermore decidiu encerrar os esforços do LIFE. Bret Knapp, diretor em exercício de Livermore, foi citado como tendo dito que "O foco de nossos esforços de fusão por confinamento inercial está em compreender a ignição no NIF ao invés do conceito LIFE."
Reivindicações de equilíbrio
Um memorando enviado em 29 de setembro de 2013 por Ed Moses descreve um tiro de fusão que ocorreu às 5h15 do dia 28 de setembro. Ele produziu 5 x 10 15 nêutrons, 75% a mais do que qualquer tiro anterior. O aquecimento alfa, um componente-chave da ignição, foi visto claramente. Ele também observou que a reação liberou mais energia do que a "energia sendo absorvida pelo combustível", uma condição que o memorando chamou de "ponto de equilíbrio científico". Isso recebeu cobertura significativa da imprensa, pois parecia sugerir que um limiar importante havia sido alcançado, o que foi referido como um "marco".
Vários pesquisadores apontaram que o experimento estava muito abaixo da ignição e não representou um avanço, conforme relatado. Outros notaram que a definição de ponto de equilíbrio registrada em muitas referências, e diretamente declarada por Moisés no passado, era quando a saída da fusão era igual à entrada do laser.
Neste comunicado, o termo foi alterado para se referir apenas à energia depositada no combustível, não à energia do laser como nas declarações anteriores. Todos os mecanismos de perda a montante foram ignorados, e a comparação foi entre os aproximadamente 10 kJ que atingem o combustível e os 14 kJ que foram produzidos, um Q de 1,4. Usando a definição anterior, isso seria 1,8 MJ de entrada e 14 kJ de saída, um Q de 0,008.
O método usado para atingir esses níveis, conhecido como "pé alto", não é adequado para ignição geral e, como resultado, ainda não está claro se o NIF algum dia alcançará essa meta.
Experimentos de estoque
Desde 2013, o NIF mudou o foco para a pesquisa de materiais e armas. Os experimentos iniciados em 2015 FY usaram alvos de plutônio, com uma programação contendo de 10 a 12 tiros para 2015, e até 120 nos próximos 10 anos. Tiros de plutônio simulam a compressão do primário em uma bomba nuclear por altos explosivos , que não tem sido testada diretamente desde o Tratado de Proibição Total de Testes Nucleares . Pequenas quantidades de plutônio são usadas nesses testes, variando de menos de um miligrama a 10 miligramas. Experimentos semelhantes também são realizados na máquina Z de Sandia . O diretor do Programa de Projeto Nuclear Primário do LLNL, Mike Dunning, observou que "Esta é uma oportunidade para obtermos dados de alta qualidade usando um regime que antes não estava disponível para nós".
Um desenvolvimento importante no NIF desde a campanha de ignição foi um aumento na taxa de injeção. Embora projetado para permitir disparos a cada 4 horas, em 2014 o FY NIF realizou 191 disparos, pouco mais de um a cada dois dias. Isso tem sido continuamente melhorado e, em abril de 2015, o NIF estava no caminho certo para cumprir sua meta de 300 disparos de laser no ano fiscal de 2015, quase um por dia.
Experimentos de fusão contínuos
Em 28 de janeiro de 2016, o NIF executou com sucesso seu primeiro experimento de tubo de gás destinado a estudar a absorção de grandes quantidades de luz laser em alvos de 1 centímetro (0,39 pol.) De comprimento relevantes para fusão inercial de liner magnetizado de alto ganho (MagLIF). A fim de investigar os principais aspectos da propagação, estabilidade e eficiência do acoplamento de energia do laser em escala completa para projetos de alvo MagLIF de alto ganho, um único quádruplo de NIF foi usado para fornecer 30 kJ de energia a um alvo durante um formato de 13 nanossegundos pulso. O retorno dos dados foi muito favorável e a análise está em andamento pela equipe científica do Lawrence Livermore and Sandia National Laboratories.
Em 2018, uma melhoria significativa na produção foi anunciada, o resultado de melhorias contínuas no controle da assimetria de compressão. Um tiro com uma saída de 1,9 × 10 16 nêutrons, resultando em 0,054 MJ de energia de fusão liberada por pulso de laser de 1,5 MJ.
Em 8 de agosto de 2021, resultados experimentais preliminares sugeriram que a fusão foi alcançada. O rendimento foi estimado em 70% da energia de entrada do laser. Produziu nêutrons em excesso consistentes com uma reação em cadeia de curta duração. Vários parâmetros do experimento foram alterados. O material do recipiente de hidrogênio / deutério foi alterado para diamante para aumentar a absorbância dos raios X secundários gerados pelo estouro do laser, aumentando assim a eficácia do colapso. Outras mudanças foram "suavizar saliências e buracos microscópicos na superfície da cápsula de combustível", reduzindo o tamanho do orifício na cápsula usado para injetá-la com combustível, diminuindo os orifícios no cilindro de ouro em torno da cápsula "para que menos energia escape", e "estender o pulso de laser para continuar conduzindo o combustível para dentro por mais tempo". Este resultado bate ligeiramente o anterior recorde de 67% estabelecido pelo JET torus em 1997.
Projetos semelhantes
Alguns projetos experimentais ICF semelhantes são:
Fotos
A porta de visualização permite uma visão do interior da câmara alvo de 30 pés de diâmetro.
Vista externa do 1/3 superior da câmara alvo. As grandes portas de viga quadrada são proeminentes.
Um técnico carrega um recipiente de instrumento no manipulador de instrumento de diagnóstico vedado a vácuo.
As lâmpadas usadas para bombear os amplificadores principais são as maiores já produzidas comercialmente.
As placas de vidro usadas nos amplificadores são muito maiores do que as usadas nos lasers anteriores.
Na cultura popular
O NIF foi usado como cenário para a nave da Empresa de núcleo de dobra em 2013 filme Star Trek Into Darkness .
Veja também
Notas
Referências
links externos
- "National Ignition Facility: How NIF Works, NIF & Photon Science" . 27/05/2010. Arquivado do original em 27/05/2010 . Página visitada em 2020-12-05 .
- "Lasers, fotônica e ciência de fusão: ciência e tecnologia em uma missão" . lasers.llnl.gov . Página visitada em 2020-12-05 .
- "Diretor do NIF, Dr. Ed Moses, sobre o andamento da instalação" . Ingenia . Dezembro de 2007. Arquivado do original em 02/10/2011 . Página visitada em 2020-12-05 .
- "O diretor do projeto do NIF, Moses, diz que as instalações estão prontas para funcionar" . spie.org . Página visitada em 2020-12-05 .
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- CleryNov. 23, Daniel; 2020; Am, 10:45 (2020-11-23). "Reator de fusão a laser aproxima-se do marco da 'queima de plasma'" . Ciência | AAAS . Página visitada em 2020-12-05 .CS1 maint: nomes numéricos: lista de autores ( link )
Coordenadas : 37 ° 41′27 ″ N 121 ° 42′02 ″ W / 37,690859 ° N 121,700556 ° W