miniaturadaimagem|upright=1.25|A National Ignition Facility, localizada no Laboratório Nacional Lawrence Livermore miniaturadaimagem|upright=1.25|A montagem do alvo para o primeiro experimento de ignição integrado do NIF é montada no sistema criogênico de posicionamento do alvo, ou cryoTARPOS. Os dois braços em forma de triângulo formam uma mortalha em torno do alvo frio para protegê-lo até que se abram cinco segundos antes de um tiro.
A Instalação Nacional de Ignição () é um dispositivo de pesquisa de fusão nuclear por confinamento inercial (ICF) baseado em laser, localizado no Laboratório Nacional Lawrence Livermore em Livermore, Califórnia.
A missão do NIF é alcançar ignição por fusão com alto ganho de energia. Ele apoia a manutenção e o projeto de armas nucleares, estudando o comportamento da matéria nas condições encontradas nas explosões nucleares."About NIF & Photon Science", Lawrence Livermore National Laboratory
O NIF é o maior e mais poderoso dispositivo ICF construído até hoje. O conceito básico do ICF é espremer uma pequena quantidade de combustível para atingir a pressão e a temperatura necessárias para a fusão.
O NIF hospeda o laser mais energético do mundo. O laser aquece a camada externa de uma pequena esfera de plástico. A energia é tão intensa que faz com que o plástico imploda, espremendo o combustível para dentro. O plástico atinge uma velocidade máxima de 350 km/s, elevando a densidade do combustível de aproximadamente a da água para cerca de 100 vezes a do chumbo. A entrega de energia e o processo adiabático durante a implosão aumentam a temperatura do combustível para centenas de milhões de graus. Nessas temperaturas, os processos de fusão ocorrem no pequeno intervalo antes que o combustível exploda.
A construção do NIF começou em 1997. O NIF foi concluído com cinco anos de atraso e custou quase quatro vezes o orçamento original. A construção foi certificada como concluída em 31 de março de 2009 pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos. Os primeiros experimentos em grande escala foram realizados em junho de 2009 e os primeiros "experimentos de ignição integrada" (que testaram a potência do laser) foram declarados concluídos em outubro de 2010.
De 2009 a 2012 foram realizados experimentos no âmbito da Campanha Nacional de Ignição, com o objetivo de atingir a ignição logo após o laser atingir a potência máxima, em algum momento do segundo semestre de 2012. A campanha terminou oficialmente em setembro de 2012, por volta as condições necessárias para a ignição. Posteriormente, o NIF foi usado principalmente para ciência de materiais e pesquisa de armas. Em 2021, após melhorias no design do alvo de combustível, o NIF produziu 70% da energia do laser, batendo o recorde estabelecido em 1997 pelo reator JET em 67% e atingindo um plasma em combustão.
Noções básicas de fusão de confinamento inercial Os dispositivos de fusão por confinamento inercial (ICF) usam os chamados drivers para aquecer rapidamente as camadas externas de um alvo para comprimi-lo. O driver típico é um feixe de laser. A partir de 1998, a maioria dos experimentos ICF usava drivers de laser. Outros drivers foram examinados, como íons pesados movidos por aceleradores de partículas.Per F. Peterson, "How IFE Targets Work", University of California, Berkeley, 1998. Retrieved on Maio 8, 2008. Per F. Peterson, "Drivers for Inertial Fusion Energy", University of California, Berkeley, 1998. Retrieved on Maio 8, 2008.
Projeto
Sistema esquerda|miniaturadaimagem|Diagrama de Sankey da energia do laser para raios-x hohlraum para atingir a eficiência do acoplamento de energia da cápsula. Observe que a "energia do laser" ocorre após a conversão para UV, que perde cerca de 50% da potência IR original. A conversão do calor dos raios X em energia no combustível perde outros 90% – dos 1,9 MJ de luz laser, apenas cerca de 10 kJ acaba no próprio combustível. A partir de 2004, o NIF passou a utilizar o método de operação de acionamento indireto, no qual o laser aquece um pequeno cilindro de metal envolvendo a cápsula dentro dele. O calor faz com que o cilindro, conhecido como hohlraum (alemão para "sala oca", ou cavidade), reemita a energia como raios-X de frequência ainda mais alta, que são ainda mais uniformemente distribuídos e simétricos. Sistemas experimentais, incluindo os lasers OMEGA e Nova, validaram esta abordagem.J.D. Lindl et al., The physics basis for ignition using indirect-drive targets on the National Ignition Facility, Physics of Plasmas, Vol. 11, Fevereiro 2004, page 339. Retrieved on Maio 7, 2008. A alta potência do NIF suporta um alvo muito maior; o design do pellet de linha de base é de cerca de 2 mm de diâmetro. Ele é resfriado a cerca de 18 kelvin (-255 °C) e revestido com uma camada de combustível congelado de deutério-trítio (DT). O interior oco contém uma pequena quantidade de gás DT.
Depois que a amplificação é concluída, a luz é comutada de volta para a linha de luz, onde corre até a extremidade do edifício até à câmara-alvo. A câmara-alvo tem 10 m esfera de aço de várias peças pesando . Pouco antes de atingir a câmara-alvo, a luz é refletida em espelhos no pátio de comando e na área-alvo para atingir o alvo de diferentes direções. Como o comprimento do caminho do oscilador mestre até o alvo é diferente para cada linha de luz, a ótica é usada para retardar a luz a fim de garantir que todos alcancem o centro dentro de alguns picossegundos um do outro.Arnie Heller, Orchestrating the World's Most Powerful Laser , Science & Technology Review, Julho/Agosto 2005. Retrieved on Maio 7, 2008 O NIF normalmente direciona o laser para dentro da câmara de cima para baixo. A área-alvo e o sistema de switchyard podem ser reconfigurados movendo metade das 48 linhas de luz para posições alternativas mais próximas do equador da câmara-alvo.
miniaturadaimagem|upright=1.33|Layout básico do NIF. O pulso de laser é gerado na sala logo à direita do centro e é enviado para as linhas de luz (azuis) em ambos os lados. Depois de várias passagens pelas linhas de luz, a luz é enviada para o "pátio" (vermelho), onde é direcionada para a câmara alvo (prata).
A partir de 2005, outros alvos, chamados alvos de saturno, foram projetados especificamente para reduzir a anisotropia e melhorar a implosão.True, M. A.; J. R. Albritton, and E. A. Williams, "The Saturn Target for Polar Direct Drive on the National Ignition Facility, LLE Review, Vol. 102, Janeiro–Março 2005, pp. 61–6. Retrieved on Maio 7, 2008. Eles apresentam um pequeno anel de plástico ao redor do "equador" do alvo, que se torna um plasma quando atingido pelo laser. Parte da luz do laser é refratada através desse plasma de volta ao equador do alvo, atenuando o aquecimento. Pensa-se que a ignição NIF com ganhos de pouco mais de trinta e cinco vezes seja possível,Yaakobi, B.; R. L. McCrory, S. Skupsky, et al. Polar Direct Drive—Ignition at 1 MJ, LLE Review, Vol 104, Setembro 2005, pp. 186–8. Retrieved on Maio 7, 2008 produzindo resultados quase tão bons quanto a abordagem de acionamento direto totalmente simétrico.
História
Ímpeto, 1957 A história do ICF no Laboratório Nacional Lawrence Livermore em Livermore, Califórnia, começou com o físico John Nuckolls, que começou a considerar o problema após uma reunião de 1957 organizada por Edward Teller lá. Durante essas reuniões, surgiu a ideia posteriormente conhecida como PACER. PACER imaginou a explosão de pequenas bombas de hidrogênio em grandes cavernas para gerar vapor que seria convertido em energia elétrica. Depois de identificar problemas com essa abordagem, Nuckolls se perguntou quão pequena uma bomba poderia ser feita para gerar energia líquida positiva.John Nuckolls, "Early Steps Toward Inertial Fusion Energy (IFE)", LLNL, 12 Junho 1998
Uma bomba de hidrogênio típica tem duas partes: uma bomba de fissão baseada em plutônio conhecida como primária e um arranjo cilíndrico de combustíveis de fusão conhecido como secundário. O primário libera raios-x, que ficam presos dentro do invólucro da bomba. Eles aquecem e comprimem o secundário até que ele pegue fogo. O secundário consiste em combustível de deutério de lítio (LiD), que requer uma fonte externa de nêutrons. Isso normalmente ocorre na forma de uma pequena "vela de ignição" de plutônio no centro do combustível. A ideia de Nuckolls era explorar quão pequeno o secundário poderia ser feito e quais 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. Isso permite secundários de qualquer tamanho – à medida que o secundário diminui, também diminui a quantidade de energia necessária para a ignição. Ao nível do miligrama, os níveis de energia começaram a aproximar-se dos disponíveis através de vários dispositivos conhecidos.
miniaturadaimagem| O laser Beamlet testou o design e as técnicas que seriam usadas no NIF. miniaturadaimagem| A câmara-alvo do NIF era tão grande que precisava ser construída em seções. O trabalho no NIF começou com um único demonstrador de linha de luz, o Beamlet. Beamlet operado com sucesso entre 1994 e 1997. 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 iniciou suas operações em 1997.J. A. Horvath, Assembly and Maintenance of Full Scale NIF Amplifiers in the Amplifier Module Prototype Laboratory (AMPLAB), Third Annual International Conference on Solid State Lasers for Application (SSLA) to Inertial Confinement Fusion (ICF), Julho 16, 1998 A inauguração oficial do site 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 mais US$ 1 bilhões para pesquisas relacionadas, e estaria completo já em 2002.NATIONAL IGNITION FACILITY, Management and Oversight Failures Caused Major Cost Overruns and Schedule Delays, GAO, Agosto 2000 Mais tarde, em 1997, o DOE aprovou um adicional de $ 100 milhões em financiamento e adiou a data operacional para 2004. Ainda em 1998, os documentos públicos do LLNL afirmavam que o preço total era de $ 1,2 bilhões, com os oito primeiros lasers entrando em operação em 2001 e totalmente concluídos em 2003.Howard T. Powell and Richard H. Sawicki, Keeping Laser Development on Target for the National Ignition Facility, S&TR, Março 1998. Retrieved on Maio 7, 2008.
Re-baseline e relatório do GAO, 1999-2000 miniaturadaimagem| Bill Richardson iniciou um processo de revisão que trouxe a construção do NIF de volta ao controle.