I 75 år har det vært en drøm å reprodusere sollignende fusjon på jorden. Team av forskere og ingeniører over hele verden har brukt titalls milliarder dollar på ulike fusjonsmetoder, men har lenge slitt med å nå milepælen «netto energigevinst».
Inntil for et år siden endret det seg imidlertid.
5. desember 2022, ved National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avfyrte verdens største laser med høyest energi 192 laserstråler og pekte dem mot et mål på størrelse med pepperkorn, og skapte en liten "sol". " på jorden. Etter å ha avfyrt 2,05 megajoule med laserenergi mot målet, produserte eksperimentet mer fusjonsenergi enn det som trengs for å antenne fusjonsdrivstoff ved å generere 3,15 megajoule energi - et stort vitenskapelig gjennombrudd på flere tiår.
Å bryte laserenergigrensen igjen
Heldigvis satte National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i USA nylig nok en ny rekord for laserenergi – avgir 2,2 megajoule (MJ) for første gang på et tenningsmål.
Det nylig rapporterte eksperimentet, utført 30. oktober, produserte 3,4 MJ fusjonsenergi, oppnådde tenning og produserte det nest høyeste nøytronutbyttet noensinne ved NIF.
Gordon Brunton, direktør for National Ignition Facility (NIF), sa: "Dette rekordnivået av laserenergi er en utrolig prestasjon som tok år med hardt arbeid å oppnå. Og det markerer vår fjerde vellykkede demonstrasjon av fusjonstenning på NIF. Dette arbeidet er grunnleggende for laboratoriets oppdrag, med nye kapasiteter som kan støtte National Nuclear Security Administrations Stockpile Stewardship Program og forhåpentligvis bringe oss nærmere fremtiden for fusjonsenergi."
5. desember 2022 oppnådde LLNL fusjonstenning for første gang. Den andre gangen var 30. juli 2023, da NIF-laseren leverte 2,05 megajoule energi til målet i et kontrollert fusjonseksperiment, og produserte en fusjonsenergieffekt på 3,88 megajoule, den høyeste energigevinsten som er oppnådd til dags dato. NIF laser oppnådd fusjonstenning var 8. oktober 2023, med en laserenergi på 1,9 MJ og en fusjonsenergieffekt på 2,4 MJ.
Viktige fremskritt innen kjernefysisk fusjon
"Vi er på en bratt ytelsesvekstkurve," sa Jean-Michel Di Nicola, felles prosjektdirektør for NIF og Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization, "Å øke laserenergien gir oss mer spillerom til å løse problemer som drivstoff. kapseldefekter eller brennstoff-hotspot-asymmetrier. Høyere laserenergier bidrar til å oppnå mer stabile implosjoner, som igjen fører til høyere energiutbytte."
Det er ingen tvil om laserens evne til å levere så mye energi. Og utfordringen er å beskytte NIFs dyrebare optikk mot ruskskader, sier Bruno Van Wonterghem, driftsleder i NIF: "Laseren i seg selv er i stand til å generere høyere energier uten å gjøre fundamentale endringer på laseren. Vi gjør alt dette for å maksimere skadekontroll. Tross alt, hvis det er for mye energi uten riktig beskyttelse, kan optikken din bli sprengt i biter."
NIF administrerer det eneste lasersystemet i verden som opererer over skadeterskelen, en bragd gjort mulig delvis av det som er kjent som Optical Recycling Loop.
Sterkere lasere, bedre ytelse
To store avbøtende tiltak, fullført i juni 2023, var avgjørende for å levere 2,2 MJ laserenergi til målet - bruken av skjerming av smeltet silikarester på to tredjedeler av NIFs strålelinjer og installasjon av metallskjerming på 32 strålelinjer på nedre halvkule , som, avhengig av strålelinjen, har redusert hastigheten på skader forårsaket av rusk med en faktor på redusert med en faktor på 10-100. Denne nedre strålelinjeoptikken mottar mest rusk fra målkammeret på grunn av tyngdekraften.
Andre forbedringer inkluderer nye anti-reflekterende belegg, dampheksametyldiazepan (HMDS) behandling og økt kapasitet til den optiske gjenopprettingssløyfen. Et nytt formildende middel - en gråkantblokker - løser et problem som forskerne ennå ikke hadde identifisert.
"Det er en undergruppe av stråler som ikke yter så godt som andre," sier Di Nicola, "og vi fant ut at hvis vi radikalt reduserer laserenergitettheten ved å kaste en skygge på den ene kanten av strålelinjen, gir disse strålelinjene bedre resultater . Vi er fortsatt ikke helt sikre på hva som er årsaken til problemet, men vi vil aktivt undersøke dette i fremtiden."
Å løse mysteriet kom naturlig for forskerne og ingeniørene som jobber med verdens mest energiske lasersystem, NIF, og OMSTs sjefsrepresentant Tayyab Suratwala sa: "Vi har gransket laserskaden og identifisert de avbøtende tiltakene ble modellert og testet. Men hver Når vi øker laserenergien, går vi inn på et enestående territorium og avslører nye skademekanismer."
Mer energi alene er ikke nok til å opprettholde National Institute of Sciences utrolige rekord av vitenskapelige gjennombrudd. Di Nicola: "Du må svinge den større hammeren med kontroll og dyktighet. Laserpulsen varer bare en milliarddels sekund, så du må vær veldig presis for å få det helt riktig."
For det formål har teamet nylig fullført utrullingen av HiFiPS-systemet (High Fidelity Pulse Shaping), som muliggjør mer presis og nøyaktig pulsforming. HiFiPS er et prosjekt som er under utvikling som muliggjør bedre kraftbalanse og symmetrisk kontroll i implosjoner.
I en annen forbedring pusset teamet opp enhetens optiske fibre for å gjøre dem mer motstandsdyktige mot gjentatt nøytroneksponering. Disse fibrene brukes til å nøyaktig måle laserpulsene som sendes til målet. Oppussingen økte signalstyrken med en faktor på 10-100, slik at forskere kan fortsette å "se" laserens ytelse.
Hva er håpet for fremtiden?
Foreløpig har laseren levert 2,2 megajoule laserenergi. Teamet gikk tilbake til forskningsstadiet og utførte den samme prosessen etter det første eksperimentet som ga fusjonsantenning.
Vi ser på optikken, vurderer skaden og forstår hvor ofte vi kan bruke denne nye evnen," sa Suratwala. I mellomtiden feirer vi denne store prestasjonen. Det er et resultat av år med hardt arbeid av en stor team innen LLNL og mange eksterne partnere."
