Već 75 godina bio je san da se na Zemlji reprodukuje solarna fuzija. Timovi naučnika i inženjera širom svijeta potrošili su desetine milijardi dolara na različite metode fuzije, ali su se dugo borili da dostignu prekretnicu "neto dobitka energije".
Do prije godinu dana, međutim, sve se promijenilo.
Dana 5. decembra 2022. godine, u Nacionalnom postrojenju za paljenje (NIF) u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL), najveći svjetski laser s najvećom energijom ispalio je 192 laserska zraka i usmjerio ih na metu veličine zrna bibera, stvarajući malo "sunce". " na zemlji. Nakon ispaljivanja 2,05 megadžula laserske energije na metu, eksperiment je proizveo više energije fuzije nego što je potrebno da se zapali fuzijsko gorivo generiranjem 3,15 megadžula izlazne energije - veliki naučni proboj u desetljećima.
Ponovo probijanje ograničenja energije lasera
Srećom, Nacionalno postrojenje za paljenje (NIF) u Nacionalnoj laboratoriji Lawrence Livermore (LLNL) u Sjedinjenim Državama nedavno je postavilo još jedan novi rekord za lasersku energiju – emitujući 2,2 megadžula (MJ) po prvi put na meti za paljenje.
Nedavno prijavljeni eksperiment, sproveden 30. oktobra, proizveo je 3,4 MJ fuzione energije, postigao paljenje i proizveo drugi najveći prinos neutrona ikada na NIF-u.
Gordon Brunton, direktor National Ignition Facility (NIF), rekao je: "Ovaj rekordni nivo laserske energije je nevjerovatno dostignuće za koje su bile potrebne godine napornog rada. I označava našu četvrtu uspješnu demonstraciju fuzionog paljenja u NIF-u. Ovaj rad je od suštinskog značaja za misiju Laboratorije, sa novim sposobnostima koje mogu podržati Program upravljanja zalihama Nacionalne administracije za nuklearnu sigurnost i nadamo se da će nas približiti budućnosti fuzijske energije."
5. decembra 2022. LLNL je po prvi put postigao fuzijsko paljenje. Drugi put je bio 30. jula 2023. godine, kada je NIF laser isporučio 2,05 megadžula energije do cilja u eksperimentu kontrolisane fuzije, proizvodeći izlaznu energiju fuzije od 3,88 megadžula, što je najveći energetski dobitak do sada. NIF laser je postigao fuzijsko paljenje 8. oktobra 2023. godine, sa laserskom energijom od 1,9 MJ i izlaznom energijom fuzije od 2,4 MJ.
Ključni napredak u nuklearnoj fuziji
„Nalazimo se na strmoj krivulji rasta performansi“, rekao je Jean-Michel Di Nicola, zajednički direktor projekta NIF-a i organizacije Photon Science Laser Science and Systems Engineering. „Povećanje laserske energije daje nam više prostora za rješavanje problema kao što je gorivo defekti kapsule ili asimetrije žarišta goriva. Veće laserske energije pomažu u postizanju stabilnijih implozija, što zauzvrat dovodi do većeg prinosa energije."
Nema sumnje u sposobnost lasera da isporuči ovoliku energiju. A izazov je zaštititi NIF-ovu dragocjenu optiku od oštećenja od krhotina, kaže Bruno Van Wonterghem, operativni menadžer u NIF-u: "Laser je sam sposoban da generiše veće energije bez suštinskih promjena na laseru. Sve to radimo kako bismo maksimizirali kontrolu štete. Na kraju krajeva, ako ima previše energije bez odgovarajuće zaštite, vaša optika može biti raznesena u komadiće."
NIF upravlja jedinim laserskim sistemom na svijetu koji radi iznad praga oštećenja, što je djelomično omogućeno onim što je poznato kao Optical Recycling Loop.
Jači laseri, bolje performanse
Dvije glavne mjere ublažavanja, završene u junu 2023., bile su kritične za isporuku 2,2 MJ laserske energije do cilja - korištenje fuzioniranog silicijumskog dioksida koji štiti dvije trećine NIF-ovih snopova i postavljanje metalne zaštite na 32 snopova donje hemisfere. , koji je, u zavisnosti od linije snopa, smanjio stopu oštećenja izazvanih krhotina za faktor smanjen za faktor 10-100. Ova optika nižeg snopa prima najviše krhotina iz ciljne komore zbog gravitacije.
Ostala poboljšanja uključuju nove antirefleksne premaze, tretman parom heksametildiazepana (HMDS) i povećan kapacitet optičke petlje za oporavak. Novo sredstvo za ublažavanje - blokator sivih rubova - rješava problem koji naučnici još nisu identificirali.
"Postoji podskup snopova koji ne rade tako dobro kao drugi", kaže Di Nicola, "i otkrili smo da ako radikalno smanjimo gustoću laserske energije bacanjem senke na jednu ivicu snopa snopa, ti snopovi rade bolje . Još uvijek nismo sasvim sigurni koji je osnovni uzrok problema, ali ćemo to aktivno istraživati u budućnosti."
Naučnici i inženjeri koji rade na najenergetskom laserskom sistemu na svijetu, NIF-u, došli su do rješavanja misterije, a glavni predstavnik OMST-a Tayyab Suratwala je rekao: "Proučili smo lasersko oštećenje i identificirali mjere za ublažavanje koje su modelirane i testirane. Međutim, svaki kada povećavamo lasersku energiju, ulazimo u teritoriju bez presedana i otkrivamo nove mehanizme oštećenja."
Više energije samo po sebi nije dovoljno da se održi nevjerovatan rekord Nacionalnog instituta za nauku o naučnim otkrićima. Di Nicola: "Morate zamahnuti tim većim čekićem s kontrolom i vještinom. Laserski puls traje samo milijardu sekunde, tako da morate budi veoma precizan da to bude kako treba."
U tom cilju, tim je nedavno završio implementaciju High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS) sistema, koji omogućava preciznije i preciznije oblikovanje impulsa. HiFiPS je projekt u nastajanju godinama koji omogućava bolju ravnotežu snage i simetričnu kontrolu u implozijama.
U drugom poboljšanju, tim je obnovio optička vlakna uređaja kako bi ih učinili otpornijima na ponovljeno izlaganje neutronima. Ova vlakna se koriste za precizno mjerenje laserskih impulsa koji se prenose do cilja. Obnova je povećala snagu signala za faktor 10-100, omogućavajući istraživačima da nastave da "vide" performanse lasera.
Kakve su nade za budućnost?
Trenutno, laser isporučuje 2,2 megadžula laserske energije. Tim se vratio u fazu istraživanja i izveo isti proces nakon prvog eksperimenta koji je proizveo fuzijsko paljenje.
Gledamo u optiku, procjenjujemo štetu i razumijemo koliko često možemo koristiti ovu novu sposobnost", rekao je Suratwala. U međuvremenu, slavimo ovo veliko postignuće. To je rezultat godina napornog rada velikog broja tim unutar LLNL-a i brojni vanjski partneri."
