For ett år siden innså menneskeheten netto energigevinst ved kjernefysisk fusjonsreaksjon for første gang. I løpet av dette året har NIF blitt kontinuerlig forbedret og har med suksess realisert ytterligere tre tenninger, og slått flere rekorder på rad! Nylig ble hovedforskeren for prosjektet valgt ut som en av naturens 10 beste mennesker...
For ett år siden innså menneskeheten netto energigevinst ved kjernefysisk fusjonsreaksjon for første gang. I dette året fortsatte NIF å forbedre seg, og realiserte deretter tre tenning, og slo flere rekorder! Nettopp nylig ble prosjektets sjefforsker, men også valgt som en av naturens ti beste mennesker av året.
14. desember i fjor, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) for første gang for å oppnå kontrollert kjernefysisk fusjon tenning suksess, for hele menneskeheten å ta av den rene energien "Holy Grail" -
Etter å ha levert 2,05 megajoule (MJ) energi til målet, ble det produsert en fusjonsenergieffekt på 3,15 MJ med en energiøkning på ca. 1,5.
30. juli 2023 oppnådde laboratoriet sin første utgangsenergi noensinne på 3,88 MJ, den høyeste noensinne.
30. oktober satte laboratoriet nok en rekord - 2.2 megajoule tilført energi ble oppnådd for første gang. I mellomtiden ble utgangsenergien på 3,4 megajoule nummer to.
I møte med vellykket "tenning" igjen og igjen, publiserte Nature også begeistret en artikkel som sa - laserfusjon er i ferd med å gå inn i en helt ny æra.
Det kan tenkes at når kontrollert kjernefysisk fusjon endelig blir realisert, vil menneskeheten ha muligheten til å skaffe enorme mengder karbonfri ren energi for første gang i historien, noe som revolusjonerer energiveikartet for fremtiden.
Med andre ord, innen den tid vil det ikke være flere klimagasser fra forbrenning av kull og olje, ikke mer farlig, langlivet radioaktivt avfall - menneskeheten vil ha tilgang til "ren energi" i ordets rette forstand.
Dette betyr at energimangelen som har plaget menneskeheten siden vi gikk inn i den elektriske tidsalderen vil forsvinne. Menneskeheten kan til og med realisere enestående teknologiske gjennombrudd i stjerneenergien brakt av kontrollert kjernefysisk fusjon.
Men la oss først komme tilbake til virkeligheten.
Den virkelige vanskeligheten med å få laseren til å levere slike enorme mengder energi er hvordan man kan beskytte NIFs dyrebare optikk mot skade fra rusk.
NIF er det eneste lasersystemet i verden som kan operere over skadeterskelen, og det er delvis på grunn av den optiske gjenopprettingssyklusen utviklet i laboratoriet.
Forbedret optikk
I juni 2023 fullførte NIF to viktige forbedringer som var avgjørende for å oppnå de 2,2 megajoulene med tilført energi.
Disse inkluderer bruk av skjerming av smeltet silikarester på to tredjedeler av NIFs strålelinjer og installasjon av metallskjerming på 32 strålelinjer på nedre halvkule.
Disse forbedringene reduserte skadefrekvensen forårsaket av rusk med en faktor på 10 til 100, avhengig av strålelinjen. Optikken ved de nedre strålelinjene mottok mest rusk fra målkammeret på grunn av tyngdekraften.
Andre forbedringer inkluderer et nytt anti-reflekterende belegg, damp-heksametyldisiloksan (HMDS) behandling og en økning i optisk resirkuleringssykluskapasitet. Samt en ny "grå kantblokker" for et problem som forskerne ennå ikke har definert fullt ut.
Mer enn bare en økning i energi
Økt energi alene er ikke nok til å opprettholde de fantastiske gjennombruddene NIF har gjort innen vitenskapen
Laserpulser varer bare noen få milliarddeler av et sekund, så ekstrem presisjon kreves for å oppnå de ønskede resultatene.
For å oppnå dette målet fullførte teamet nylig utrullingen av et HiFiPS-system (High Fidelity Pulse Shaping).
Et flerårig prosjekt, HiFiPS muliggjør mer presis og nøyaktig pulsforming, som igjen muliggjør bedre kraftbalanse og symmetrikontroll i implosjoner.
I tillegg pusset teamet opp de optiske fibrene i anlegget for å gjøre dem mer tolerante for gjentatt nøytroneksponering. Disse fibrene brukes til å nøyaktig måle laserpulsen som leveres til målet.
Som et direkte resultat av oppussingen ble signalstyrken økt med en faktor på 10 til 100, og forskerne kunne fortsette å nøyaktig 'observere' laserytelsen.
Det er imidlertid fortsatt en lang vei å gå fra dagens toppmoderne til å realisere levering av fusjonsenergi til nettet.
Selv om NIF har den største laseren i verden i dag, er systemet ekstremt ineffektivt, med mer enn 99 % av energien i hver tenning tapt før den når målet.
Og å utvikle et mer effektivt lasersystem er et hovedmål for DOEs nylig lanserte Inertial Fusion Research Program.
Avdelingen kunngjorde nylig at den vil investere 42 millioner dollar over fire år for å etablere tre nye forskningssentre for å samarbeide for å oppnå dette og andre vitenskapelige fremskritt.
Hvert av disse sentrene vil omfatte nasjonale laboratorier, universitetsforskere og industripartnere.
Og en av de sentrale figurene i hele fusjonsprogrammet, fysiker Annie Kritcher, har også klart å komme seg inn i Nature's Top 10 Science People of the Year.
I 2022 oppnådde Annie Kritcher et mål ved National Ignition Facility (NIF) som hadde vært unnvikende i laboratorier rundt om i verden i flere tiår og komprimerte atomer til en så ekstrem ekstrem at kjernene deres smeltet sammen og produserte mer energi enn selve reaksjonen forbrukte.
Men etter å ha nådd denne eksperimentelle milepælen (dvs. tenning), var teamet under press for å gjenta prestasjonen.
Forskning med høy innsats går sjelden problemfritt: teamet gjennomførte sin første replikering i juni, men resultatene var dårlige.
Heldigvis var tredje forsøk en suksess.
Den 30. juli avfyrte NIFs 192-strålelaser 2,05 megajoule energi mot små kuler av hydrogenisotopene deuterium og tritium suspendert frosset i en gullsylinder.
Den resulterende implosjonen førte til at isotopene frigjorde energi da de smeltet sammen til helium og produserte temperaturer seks ganger høyere enn solens kjerne.
Til syvende og sist skapte disse rekordhøye 3,88 megajoule fusjonsenergi.
Ser man rundt i verden, hadde intet laboratorium klart å realisere en fusjonsreaksjon som produserer mer energi enn den forbruker før NIF oppnådde denne bragden.
Kritcher og teamet hennes utførte deretter ytterligere to tenninger i oktober, noe som brakte totalen til fire.
Kritcher begynte å forske på fusjonsenergi da hun var sommerpraktikant ved Livermore i 2004. Hun rettet snart blikket mot NIF – et av få steder i verden hvor fusjonsreaksjoner kan studeres.
Siden den gang har hun ledet et team som analyserer eksperimentelle data og bruker datamodeller for å designe eksperimenter – ved å justere parametere som størrelsen og konfigurasjonen av målet og energien og timingen til de ulike laserstrålene – for å oppnå og øke fusjonsutbytte. Når teamet hennes har fullført designet, tar det eksperimentelle teamet over avfyring av lasere og innsamling av data.
Prosessen har vist at Kritcher er eksepsjonell, og det førte til at hun ble en av hoveddesignerne ved NIF i 2016.
I løpet av de neste årene har Kritcher og teamet hennes drevet tallknusing og finpusset utformingen av NIFs hovedeksperimentprogram. Mens de gjorde forskjellige endringer i målet, brukte teamet også forskjellige forbedringer for å øke den totale energien til laseren. Resultatet er at kjernefysisk fusjon blir realisert, stadig oftere.
Med suksessen til 'Ignition' begynte Kritcher en ny serie eksperimenter - og økte utbyttet igjen ved å levere mer laserenergi til en tykkere målkapsel.
Og dette representerer nok et skritt mot å oppnå titalls terajoule eller enda høyere avkastning ved NIF.
Kontrollert fusjon, den hellige gral av ren energi
Enkelt sagt er kjernefysisk fusjon prosessen der to lette atomkjerner kombineres for å danne en tyngre kjerne og frigjøre en enorm mengde energi.
To hydrogenatomer kolliderer og polymeriserer for å danne et heliumatom, som har en litt mindre masse enn det opprinnelige hydrogenatomet. I følge Einsteins ikoniske E=mc² masse-energi-ligning, blir denne masseforskjellen omdannet til et energiutbrudd.
I kjernen av solen skjer fusjon av 620 millioner tonn hydrogen hvert sekund. Energien som produseres er kilden til alt liv på jorden.
Men en av de store utfordringene ved å utnytte kjernefysisk fusjon er hvordan man kan gjøre energien som frigjøres fra fusjonsreaksjonen større enn energitilførselen og gjøre prosessen bærekraftig.
NIF-tenningsprinsippet
På 1960-tallet antok en gruppe banebrytende forskere ved LLNL at lasere kunne brukes til å indusere kjernefysisk fusjon i laboratoriemiljø.
Denne revolusjonerende ideen utviklet seg deretter til treghet i innesperring under ledelse av fysikeren John Nuckolls.
For å realisere dette konseptet bygde LLNL en serie med stadig kraftigere lasersystemer, som kulminerte i verdens største og mest energiske NIF.
I eksperimentet etterlignet laserne forholdene i sentrum av solen ved å smelte sammen tunge hydrogenisotoper, deuterium og tritium, til helium.
Først ble et antall hydrogenpellets plassert i en enhet på størrelse med et pepperkorn, og deretter ble en kraftig 192-strålelaser brukt til å varme opp og komprimere hydrogendrivstoffet.
Laserne, når de kommer inn i torusen, treffer de indre veggene og får dem til å sende ut røntgenstråler, som deretter kan varme den opp til 100 millioner grader Celsius - varmere enn midten av solen - og komprimere den til mer enn 100 milliarder ganger jordens atmosfæriske trykk.
Høyenergilasere ville plasmaisere overflaten av klatten, og resten av det sentrale materialet, drevet av Newtons tredje lov, ville til slutt kollapse mot midten og implodere.
Ved implosjonstidspunktet kan det oppstå en kjedereaksjon – eller «tenning» – hvis riktig mengde varme og trykk påføres brenselpelleten, som da frigjør en stor mengde energi.
Tekniske vidundere
National Ignition Facility (NIF), som gjør alt det ovennevnte mulig, er også en bemerkelsesverdig prestasjon innen ingeniørvitenskap og teknologi.
Materialforskere og laserfysikere samarbeidet med ingeniører for å designe et anlegg som inneholder 7500 stor optikk, 26,000 liten optikk og mer enn 66,000 kontrollpunkter.
Denne optikken og andre komponenter er inneholdt i omtrent 6200 komplekse modulære enheter kalt Line Replaceable Units (LRUs). De kan raskt skiftes ut når det er nødvendig for å sikre kontinuerlig drift av anlegget.
NIF-laserpulsen går én kilometer og tar 4,5 mikrosekunder fra den første pulsdannelsen i hovedoscillatorkammeret til den når målet. Tidsforskjellen for å nå midten av målkammeret er 30 pikosekunder med en nøyaktighet på 50 mikron.
Å oppnå denne typen pekestabilitet og absolutt nøyaktighet på målet er en enorm ingeniørutfordring, som krever bunnsolid stabilitet av det optiske støttesystemet, presis posisjonering og justering av komponentene, og et strengt nøyaktig datastyrt timingsystem.
For å møte disse utfordringene ble alle strukturer som støtter NIF-speilene og linsene designet med ekstrem stabilitet i tankene.
Ingeniørteamet beregnet omhyggelig de mulige effektene på laserkomponentene, typisk laserspeilene, for alle vibrasjonskilder, inkludert pumper, motorer og transformatorer.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) og drift (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
I tillegg, for å sikre at strålelinjekomponentene ikke påvirket laserens takhøyde, brukte teamet presisjonsmåleteknikker, noe som resulterte i et strengt målenettverk og kontrollert fysisk plassering av alle strålelinjekomponenter. Posisjonene til alle bjelkehus, støttesystemer og målkamre var nøyaktige til en kvart millimeter.
Denne informasjonen ble deretter gitt til designteamet, som designet konstruksjonen med både tilstrekkelig stivhet og demping slik at konstruksjonens respons på grunnvibrasjoner og forventet vibrasjon fra anleggsutstyret oppfylte de generelle stabilitetskravene.
Å sikre at alle 192 laserstråler ankom innen de spesifiserte 30 pikosekunder ble oppnådd gjennom et presisjonstidssystem som bruker et GPS-satellittsystem som konstant oppdaterer den interne klokken. Integrert programvare og maskinvare overvåker og oppdaterer hele tiden timingen for å opprettholde nøyaktigheten.
Hvert mekanisk grensesnitt er utformet med en toleranse på bedre enn 300 femtosekunder (tre trillioner av et sekund), slik at LRU-er kan endres når som helst for å opprettholde timing-nøyaktigheten. I tillegg opprettholder et tett kontrollert program systemtiming for hver LRU.
Selv om vi egentlig ikke kan bruke kjernefysisk fusjon til kraftproduksjon med denne enheten ennå.
Men i en skala på 60 år har menneskeheten fått et stort gjennombrudd.
For fremtiden kan vi kanskje også holde på mer fantasi.
