Tändning är en nyckelprocess som förstärker energiproduktionen från kärnfusion och kan ge ren energi och svara på några enorma fysikfrågor.

Ett nytt experiment verkar ha utlöst antändning för första gången, vid National Ignition Facility (NIF) vid Lawrence Livermore National Laboratory i USA, återskapar de extrema temperaturer och tryck som finns i solens hjärta.

Detta har producerat mer energi än något tidigare fusionsexperiment med tröghetsinneslutning, och visar att antändning är möjlig, banar väg för reaktioner som ger mer energi än de behöver för att komma igång.

Imperial College London-fysiker hjälper redan till att analysera data från det framgångsrika experimentet, som genomfördes den 8 augusti 2021. Imperial har också producerat mer än 30 doktorander. studenter som har arbetat på NIF. Högskolan behåller starka kopplingar till anläggningen, och andra över hela världen, genom Center for Inertial Fusion Studies (CIFS).

Märkligt steg framåt

Meddirektör för Center for Inertial Fusion Studies vid Imperial, Professor Jeremy Chittenden, sade att "demonstration av antändning har varit en stor vetenskaplig stor utmaning sedan idén publicerades för nästan 50 år sedan. Det var den främsta anledningen till byggandet av NIF och har varit dess primära mål i över ett decennium."

"Efter tio år av stadiga framsteg mot att visa tändning, resultaten av experiment under det senaste året har varit mer spektakulära, eftersom små förbättringar av fusionsenergin förstärks kraftigt av antändningsprocessen. Förbättringstakten i energiproduktionen har varit snabb, tyder på att vi snart kan nå fler energimilstolpar, som att överskrida energitillförseln från lasrarna som används för att kickstarta processen."

"Detta är avgörande för att öppna löftet om fusionsenergi och låta fysiker undersöka förhållandena i några av de mest extrema tillstånden i universum, inklusive de bara några minuter efter Big Bang. Kontrollerad fusion i laboratoriet är en av de avgörande vetenskapliga utmaningarna för denna era och detta är ett betydelsefullt steg framåt."

Meddirektör för Center for Inertial Fusion Studies vid Imperial, Professor Steven Rose, sade att "NIF-teamet har gjort ett extraordinärt jobb. Detta är det mest betydande framstegen inom tröghetsfusion sedan starten 1972."

"Det som har uppnåtts har helt förändrat fusionslandskapet och vi kan nu se fram emot att använda antända plasma för både vetenskaplig upptäckt och energiproduktion."

Uppnår tändning

Den typ av kärnreaktion som driver nuvarande kraftverk är klyvning - splittringen av atomer för att frigöra energi. Fusion tvingar istället väteatomer för att få energi, producerar en stor mängd energi, och, avgörande, begränsat radioaktivt avfall.

Av denna anledning, ett sätt att skapa effektiva fusionsreaktioner har sökts i decennier för att producera ren energi med få resurser. Dock, fusionsreaktioner har visat sig vara svåra att kontrollera och hittills, inget fusionsexperiment har producerat mer energi än vad som har lagts ner för att få igång reaktionen.

Medan det senaste experimentet fortfarande krävde mer energi än det tog ut, det är den första att nå det avgörande stadiet av "antändning", vilket gjorde att betydligt mer energi kunde produceras än någonsin tidigare, och banar väg för "break even", där energin in matchas av energin ut.

Det finns två huvudsakliga sätt som forskare över hela världen för närvarande försöker producera fusionsenergi. NIF fokuserar på tröghetsfusion, som använder ett system av lasrar för att värma upp bränslepellets som producerar ett plasma - ett moln av laddade joner.

Bränslepellets innehåller "tunga" versioner av väte - deuterium och tritium - som är lättare att smälta ihop och producera mer energi. Dock, bränslepellets måste värmas upp och sättas under tryck till förhållanden som finns i mitten av solen, som är en naturlig fusionsreaktor.

När dessa villkor uppnåtts, fusionsreaktioner frigör flera partiklar, inklusive "alfa"-partiklar, som interagerar med den omgivande plasma och värmer upp den ytterligare. Den uppvärmda plasma släpper sedan ut fler alfapartiklar och så vidare, i en självuppehållande reaktion – en process som kallas antändning.

Dock, denna process har aldrig förverkligats helt förr - förrän nu. Resultaten från experimentet den 8 augusti indikerar en energiproduktion på över en mega-joule, vilket markerar den överenskomna tröskeln för början av "tändning" och är sex gånger den tidigare högsta energin som uppnåtts.

Arthur Turrell, från Institutionen för fysik vid Imperial, och författare till den nyutgivna boken The Star Builders:Nuclear Fusion and the Race to Power the Planet , sade att "Detta fenomenala genombrott tar oss tantande nära en demonstration av" netto energivinst "från fusionsreaktioner - precis när planeten behöver det."

"Telaget på National Ignition Facility, och deras partners runt om i världen, förtjänar varje beröm för att ha övervunnit några av de mest fruktansvärda vetenskapliga och tekniska utmaningar som mänskligheten någonsin har tagit sig an. Den extraordinära energiutsläpp som uppnås kommer att uppmuntra kärnfusionsansträngningar över hela världen, ge momentum till en trend som redan var på god väg. "

Outforskat territorium

Professor Chittenden sa att "medan NIF främst är ett fysikaliskt experiment, och har inte huvudmålet att skapa fusionsenergi, detta otroliga resultat innebär att denna dröm är närmare att vara verklighet. Vi har nu bevisat att det är möjligt att nå tändning, ge inspiration till andra laboratorier och nystartade företag runt om i världen som arbetar med fusionsenergiproduktion för att försöka realisera samma förutsättningar med hjälp av en enklare, mer robust och framför allt billigare metod. "

Det kejserliga teamet analyserar nu resultatet av experimentet, med hjälp av diagnostiska metoder som de har skapat för att förstå vad som händer under sådana extrema förhållanden. Dr Brian Appelbe, Research Associate i Center for Inertial Fusion Studies vid Imperial, sa att "NIF-lasrarna redan skapade de mest extrema förhållandena på jorden, men det nya experimentet verkar ha fördubblat den tidigare uppnådda temperaturen. Vi har gått in i en regim vi tidigare aldrig varit i - det här är okänt territorium i vår förståelse av plasma. "

Dr Aidan Crilly, Research Associate i Center for Inertial Fusion Studies vid Imperial, tillade att "genom att återge förhållandena i solens centrum kommer vi att kunna studera materia som vi aldrig har kunnat skapa i labbet tidigare, inklusive de som finns i stjärnor och supernovor."

"Vi kan också få insikter om materiella kvanttillstånd och även förhållanden närmare och närmare början av Big Bang - ju hetare vi blir, ju närmare vi kommer till det allra första tillståndet i universum. "