Prije godinu dana, čovječanstvo je prvi put shvatilo neto energetski dobitak reakcije nuklearne fuzije. Tokom ove godine NIF se kontinuirano usavršavao i uspešno je realizovao još tri paljenja, oborivši nekoliko rekorda u nizu! Nedavno je vodeći naučnik projekta izabran za jednog od 10 najboljih ljudi godine u prirodi...
Prije godinu dana, čovječanstvo je prvi put shvatilo neto energetski dobitak reakcije nuklearne fuzije. I u ovoj godini NIF je nastavio da se usavršava, a zatim uspešno realizovao tri paljenja, oborio nekoliko rekorda! Nedavno je glavni naučnik projekta, ali i izabran za jednu od deset najboljih ljudi godine u Nature.
14. decembra prošle godine, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) po prvi put je postigao uspješan kontrolirani uspjeh paljenja nuklearne fuzije, kako bi cijelo čovječanstvo preuzelo čistu energiju "Sveti gral" -
Nakon isporuke 2,05 megadžula (MJ) energije do cilja, proizvedena je energija fuzije od 3,15 MJ uz energetski dobitak od oko 1,5.
Dana 30. jula 2023. Laboratorija je postigla svoju prvu izlaznu energiju od 3,88 MJ, najveću ikada.
Laboratorija je 30. oktobra postavila još jedan rekord - 2. Po prvi put je postignuto 2 megadžula ulazne energije. U međuvremenu, izlazna energija od 3,4 megadžula zauzela je drugo mjesto.
Suočeni s uspješnim 'paljenjem' iznova i iznova, Nature je također uzbuđeno objavila članak u kojem kaže - laserska fuzija uskoro ulazi u potpuno novu eru.
Moguće je da će, kada se kontrolisana nuklearna fuzija konačno realizuje, čovečanstvo imati mogućnost da dobije ogromne količine čiste energije bez ugljenika po prvi put u istoriji, revolucionirajući energetski putokaz za budućnost.
Drugim riječima, do tada više neće biti stakleničkih plinova iz sagorijevanja uglja i nafte, nema više opasnog, dugovječnog radioaktivnog otpada – čovječanstvo će imati pristup 'čistoj energiji' u pravom smislu te riječi.
To znači da će nestašice energije koje su mučile čovječanstvo otkako smo ušle u električno doba nestati. Čovječanstvo čak može ostvariti tehnološka otkrića bez presedana u zvjezdanoj energiji koju donosi kontrolirana nuklearna fuzija.
Ali da se prvo vratimo na stvarnost.
Prava poteškoća da se laser isporuči tako ogromne količine energije je kako zaštititi NIF-ovu dragocjenu optiku od oštećenja krhotina.
NIF je jedini laserski sistem na svijetu koji može raditi iznad praga oštećenja, a to je dijelom zbog optičkog ciklusa oporavka razvijenog u laboratoriji.
Enhanced Optics
U junu 2023. NIF je završio dva ključna poboljšanja koja su bila ključna za postizanje 2,2 megadžula ulazne energije.
To uključuje upotrebu zaklona od ostataka topljenog silicijum-dioksida na dve trećine NIF-ovih snopova i ugradnju metalne zaštite na 32 snopova donje hemisfere.
Ova poboljšanja su smanjila stopu oštećenja uzrokovanih krhotina za faktor od 10 do 100, ovisno o liniji snopa. Optika na nižim snopovima primila je najviše krhotina iz ciljne komore zbog gravitacije.
Ostala poboljšanja uključuju novi antirefleksni premaz, tretman pare heksametildisiloksana (HMDS) i povećanje kapaciteta optičkog ciklusa recikliranja. Kao i novi 'blokator sivih rubova' za problem koji naučnici tek trebaju u potpunosti definirati.
Više od samo povećanja energije
Povećana energija sama po sebi nije dovoljna za održavanje neverovatnih otkrića koje je NIF napravio u nauci -
Laserski impulsi traju samo nekoliko milijarditih delova sekunde, tako da je potrebna izuzetna preciznost da bi se postigli željeni rezultati.
Kako bi postigao ovaj cilj, tim je nedavno završio implementaciju sistema High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS).
Višegodišnji projekat, HiFiPS omogućava preciznije i preciznije oblikovanje impulsa, što zauzvrat omogućava bolju ravnotežu snage i kontrolu simetrije u implozijama.
Osim toga, tim je obnovio optička vlakna u objektu kako bi ih učinili tolerantnijima na ponovljeno izlaganje neutronima. Ova vlakna se koriste za precizno mjerenje laserskog impulsa dostavljenog meti.
Kao direktan rezultat obnove, jačina signala je povećana za faktor od 10 do 100, a istraživači su bili u mogućnosti da nastave da precizno 'posmatraju' performanse lasera.
Međutim, još je dug put od trenutnog stanja tehnike do realizacije isporuke energije fuzije u mrežu.
Iako NIF danas ima najveći laser na svetu, sistem je izuzetno neefikasan, sa više od 99% energije pri svakom paljenju izgubljeno pre nego što dođe do cilja.
A razvoj efikasnijeg laserskog sistema je ključni cilj DOE-ovog novopokrenutog Programa istraživanja inercijalne fuzije.
Odeljenje je nedavno objavilo da će uložiti 42 miliona dolara tokom četiri godine za osnivanje tri nova istraživačka centra koji će zajedno raditi na postizanju ovog i drugih naučnih dostignuća.
Svaki od ovih centara će uključivati nacionalne laboratorije, univerzitetske istraživače i industrijske partnere.
Jedna od centralnih figura u cijelom programu fuzije, fizičarka Annie Kritcher, također je uspjela da uđe u Nature's Top 10 naučnih ljudi godine.
Godine 2022. Annie Kritcher je postigla cilj u Nacionalnom postrojenju za paljenje (NIF) koji je decenijama bio nedostižan u laboratorijama širom svijeta – komprimiranje atoma do tolikog ekstrema da su se njihova jezgra spojila i proizvela više energije nego što je sama reakcija potrošila.
Ali nakon dostizanja ove eksperimentalne prekretnice (tj. paljenja), tim je bio pod pritiskom da ponovi dostignuće.
Istraživanje visokih uloga rijetko ide glatko: tim je izvršio svoju prvu replikaciju u junu, ali rezultati su bili loši.
Na sreću, treći pokušaj je bio uspješan.
Dana 30. jula, NIF-ov 192- laserski snop ispalio je 2,05 megadžula energije na male sfere izotopa vodonika deuterijuma i tricijuma suspendovanih u zlatnom cilindru.
Nastala implozija je uzrokovala da izotopi oslobađaju energiju dok su se spajali u helijum i proizvodili temperature šest puta veće od temperature jezgra Sunca.
Na kraju, oni su stvorili rekordnih 3,88 megadžula fuzijske energije.
Gledajući širom sveta, nijedna laboratorija nije uspela da realizuje reakciju fuzije koja proizvodi više energije nego što troši sve dok NIF nije postigao ovaj podvig.
Kritcher i njen tim su potom uspješno izveli još dva paljenja u oktobru, čime je ukupan broj porastao na četiri.
Kričer je počela da istražuje fuzijsku energiju kada je bila letnja stažista u Livermoru 2004. Ubrzo se usmerila na NIF – jedno od retkih mesta na svetu gde se fuzijske reakcije mogu proučavati.
Od tada je vodila tim koji analizira eksperimentalne podatke i koristi kompjuterske modele za dizajniranje eksperimenata - prilagođavanjem parametara kao što su veličina i konfiguracija mete te energija i vrijeme različitih laserskih zraka - kako bi se postigao i povećao prinos fuzije. Kada njen tim završi dizajn, eksperimentalni tim preuzima ispaljivanje lasera i prikupljanje podataka.
Proces je pokazao da je Kritcher izuzetna, a to je dovelo do toga da je postala jedan od vodećih dizajnera na NIF-u 2016.
Tokom narednih nekoliko godina, Kritcher i njen tim su hvatali brojeve i prilagođavali dizajn glavnog eksperimentalnog programa NIF-a. Dok je pravio različite promjene na meti, tim je također koristio razna poboljšanja kako bi povećao ukupnu energiju lasera. Rezultat je da se nuklearna fuzija ostvaruje, sve češće.
Uz uspjeh 'Ignitiona', Kritcher je započeo novu seriju eksperimenata - ponovo povećavajući prinos isporukom više laserske energije u deblju ciljnu kapsulu.
A ovo predstavlja još jedan korak ka postizanju desetina teradžula ili čak većih prinosa na NIF-u.
Kontrolisana fuzija, Sveti gral čiste energije
Jednostavno rečeno, nuklearna fuzija je proces kojim se dvije lake atomske jezgre spajaju kako bi formirale težu jezgru i oslobađale ogromnu količinu energije.
Dva atoma vodika se sudaraju i polimeriziraju kako bi formirali atom helija, koji ima nešto manju masu od originalnog atoma vodika. Prema Einsteinovoj kultnoj E=mc² jednadžbi masa-energija, ova razlika mase se pretvara u nalet energije.
U jezgru Sunca, svake sekunde se dešava fuzija 620 miliona tona vodonika. Proizvedena energija izvor je čitavog života na Zemlji.
Ali jedan od velikih izazova u korištenju nuklearne fuzije je kako učiniti da energija oslobođena iz reakcije fuzije bude veća od uložene energije i da se proces učini održivim.
NIF princip paljenja
U 1960-im, grupa pionirskih naučnika u LLNL-u je pretpostavila da se laseri mogu koristiti za indukciju nuklearne fuzije u laboratorijskom okruženju.
Ova revolucionarna ideja je zatim evoluirala u fuziju inercijalnog zatvaranja pod vodstvom fizičara Johna Nuckollsa.
Da bi realizovao ovaj koncept, LLNL je izgradio seriju sve snažnijih laserskih sistema, što je kulminiralo najvećim i najenergičnijim NIF-om na svetu.
U eksperimentu, laseri su oponašali uslove u centru Sunca spajajući teške izotope vodonika, deuterijum i tricijum, u helijum.
Prvo je određeni broj vodoničnih kuglica stavljen u uređaj veličine zrna paprike, a zatim je korišćen moćni laser 192- za zagrijavanje i kompresiju vodikovog goriva.
Laseri, kada uđu u torus, udaraju u unutrašnje zidove i uzrokuju da emituju rendgenske zrake, koji ga zatim mogu zagrijati do 100 miliona stepeni Celzijusa - toplije od centra Sunca - i komprimirati ga na više od 100 milijardi puta. atmosferski pritisak Zemlje.
Laseri visoke energije bi plazmizirali površinu mrlje, a ostatak središnjeg materijala, vođen Newtonovim trećim zakonom, na kraju bi kolabirao prema centru i implodirao.
U trenutku implozije, može doći do lančane reakcije - ili "paljenja" - ako se na pelet za gorivo primeni odgovarajuća količina toplote i pritiska, koji zatim oslobađa veliku količinu energije.
Inženjerska čuda
National Ignition Facility (NIF), koji čini sve navedeno mogućim, također je izvanredno dostignuće u inženjerstvu i tehnologiji.
Naučnici za materijale i laserski fizičari radili su sa inženjerima na dizajnu objekta koji sadrži 7.500 velikih optika, 26,000 malih optika i više od 66,000 kontrolnih tačaka.
Ova optika i druge komponente sadržane su u približno 6.200 složenih modularnih jedinica pod nazivom Line Replaceable Units (LRUs). Mogu se brzo zamijeniti kada je to potrebno kako bi se osigurao kontinuirani rad objekta.
NIF laserski impuls putuje jedan kilometar i traje 4,5 mikrosekunde od početnog formiranja impulsa u komori glavnog oscilatora do dostizanja cilja. Vremenska razlika do centra ciljne komore je 30 pikosekundi sa preciznošću od 50 mikrona.
Postizanje ove vrste stabilnosti usmjeravanja i apsolutne preciznosti na metu je ogroman inženjerski izazov, koji zahtijeva čvrstu stabilnost optičkog potpornog sistema, precizno pozicioniranje i poravnanje komponenti, i rigorozno precizan kompjuterizirani sistem mjerenja vremena.
Da bi se odgovorilo na ove izazove, sve strukture koje podržavaju NIF ogledala i sočiva dizajnirane su sa ekstremnom stabilnošću na umu.
Inženjerski tim je pomno izračunao moguće efekte na laserske komponente, obično laserska ogledala, za sve izvore vibracija, uključujući pumpe, motore i transformatore.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) i drift (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Osim toga, kako bi se osiguralo da komponente linije snopa ne utiču na lasersku visinu, tim je koristio tehnike preciznog mjerenja, što je rezultiralo rigoroznom mjernom mrežom i kontroliranom fizičkom lokacijom svih komponenti snopa. Položaji svih kućišta greda, potpornih sistema i ciljnih komora bili su precizni do četvrt milimetra.
Ove informacije su zatim dostavljene projektantskom timu, koji je projektovao konstrukciju sa dovoljnom krutošću i prigušenjem, tako da odgovor konstrukcije na vibracije tla i očekivane vibracije od građevinske opreme zadovoljavaju sveukupne zahtjeve stabilnosti.
Osiguravanje da svih 192 laserska zraka stignu u roku od navedenih 30 pikosekundi postignuto je pomoću sistema preciznog mjerenja vremena pomoću GPS satelitskog sistema koji stalno ažurira interni sat. Integrirani softver i hardver stalno prate i ažuriraju vrijeme kako bi se održala tačnost.
Svaki mehanički interfejs je dizajniran za bolju toleranciju od 300 femtosekundi (tri triliontinke sekunde), tako da se LRU-ovi mogu promeniti u bilo kom trenutku kako bi se održala tačnost vremena. Osim toga, strogo kontrolirani program održava sistemsko vrijeme za svaki LRU.
Ipak, još uvijek ne možemo primijeniti nuklearnu fuziju na proizvodnju energije s ovim uređajem.
Ali na skali od 60 godina, čovječanstvo je napravilo veliki iskorak.
Za budućnost, možda ćemo moći zadržati više mašte.
