En investering på $42 millioner! US Department of Energy opretter 3 store laserfusionsforskningscentre

Torsdag lokal tid meddelte det amerikanske energiministerium, at det opretter tre forskningscentre i håb om at fremme fundamental inerti fusionsenergi (IFE) videnskab og teknologi og udnytte miniature laserdrevne termonukleare eksplosioner i fremtidige kraftværker.
De tre centre, der ligger ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Californien, Colorado State University og University of Rochester i New York State, vil dele i alt 42 millioner dollars over fire år. Heraf $16 millioner hver til Livermore og Colorado State og $10 millioner til University of Rochester - en lille del af DOE's budget for fusionsenergividenskab - som i år er mere end en halv milliard dollars.
Scott Hsu, DOE's cheffusionskoordinator, sagde, at fremtidig forskning på de tre centre vil "fokusere mere på de grundlæggende teknologier, der er nødvendige for ethvert inertifusionssystem.
Energi produceres ved at kombinere to små atomer, normalt hydrogen, til et større atom. Denne proces, kendt som "fusion", er kilden til energi for solen og andre stjerner. Hvis kontrolleret nuklear fusion kunne reproduceres på Jorden, ville det producere rigelig energi uden at producere jordvarmende kuldioxid eller langlivet radioaktivt affald.
Til dato har det meste af fusionsenergiforskningen og det meste af Energiministeriets fusionsvidenskabelige budget fokuseret på reaktorer, der bruger kraftige magnetfelter til at indeholde overophedet brint, indtil kernerne kolliderer og kombineres. Men et vellykket eksperiment udført sidste år på Livermore's National Ignition Facility (NIF) understregede en anden tilgang - at affyre kraftige lasere mod individuelle brintpartikler for at presse deres atomer sammen og producere et glimt af fusion.
LLNL har opnået fusionstænding på NIF fire gange til dato. Det seneste blev opnået ved at affyre 2,2 megajoule (MJ) energi mod antændingsmålet, hvilket producerede 3,4 MJ fusionsenergi. NIF var ikke designet som en prototype til fusionsenergiproduktion. Siden ophøret med atomprøvesprængninger i 1992 er det primært blevet brugt til at hjælpe med at vedligeholde amerikanske atomvåben. I tidligere eksperimenter affyrede NIF-videnskabseksperimentet en laserpuls ind i en brintdrevet pellet. Et praktisk kraftværk vil skulle affyre laserimpulsen gentagne gange med en frekvens på 10 gange i sekundet, hvor hver impuls indsætter en ny brændstofpellet.
Disse lasere skal være kraftigere, mere pålidelige og mere energieffektive end NIF's lasere. Brintbrændstofmål skal være billige og nemme at fremstille. Et kraftværk har brug for en konstant forsyning af millioner af piller. Det nye forskningscenter vil hjælpe med at løse disse forhindringer.
Kramer Akli, som administrerer regeringens Inertial Fusion Energy Sciences-program, sagde, at DOE modtog mange ansøgninger, og et panel af dommere valgte Livermore, Rochester og Colorado State. Hvert af de vindende programmer omfattede samarbejder med andre universiteter, nationale laboratorier og private virksomheder.
Dr. Akli sagde: "Bring de dygtigste hjerner inden for dit felt sammen, så du yderligere kan accelerere innovation og løse nogle af udfordringerne ved inertifusionsenergi."
Et af hovedmålene for University of Rochester-centret er at teste en ny type laser, der kan affyres direkte på brintbrændstof. Denne metode er mere energieffektiv end den, der blev brugt i NIF-eksperimentet i Livermore. Men hvis små variationer i laseren giver ustabilitet, kan de hindre fusion.
Denne ustabilitet kan kontrolleres, hvis laseren udbreder sig over en række bølgelængder. Forskere ved University of Rochester har arbejdet på denne tilgang, kaldet direct drive, i årevis, og forskningsmidler fra centret vil blive brugt til eksperimenter for at teste, om en ny højeffektlaser kan overvinde dette problem. Dette åbner en rute til et direkte-drev-program.
Colorado State-centret vil studere en række lasere foreslået til forskellige inertifusionskoncepter og undersøge forskellige designs for brændstofmål. Carmen Menoni, en professor i el- og computerteknik, der ledede centrets forslag, sagde, at hun vil studere nye materialer til laseroptiske belægninger, så de bedre kan modstå vedvarende højenergi-laserangreb.
Tammy Ma, en plasmafysiker ved Livermore National Laboratory (LLNL), sagde, at centrets fokus ville gå ud over den indirekte-drevne tilgang, der bruges af NIF, og begynde at løse de problemer, der kræves for at bygge et egentligt kraftværk. "Det er ikke kun, at du har et mål, og du rammer det og skaber energi."
Den indledende forskning skulle være med til at kaste lys over, hvilke tilgange der er mest lovende. "Investeringen vil ikke være nok til virkelig at finde disse svar," ifølge Dr. Tammy Ma, "men jeg tror, ​​at vi ved udgangen af ​​fire år kan udstikke en lovende vej for USA til virkelig at demonstrere en fuld- skala pilotanlæg."
USA's energiminister Jennifer M. Granholm sagde: "At udnytte fusionsenergi er en af ​​de største videnskabelige og teknologiske udfordringer i det 21. århundrede. Vi er nu overbeviste om, at fusionsenergi ikke kun er en mulighed, men ekstremt lovende. Forskerne ved disse centre vil være på forkant med et spilskiftende og planetbesparende gennembrud."
Projekter finansieret af programmet Accelerated Research in Inertial Fusion Energy Science and Technology (IFE-star) vil samle ekspertisen og kapaciteten fra det amerikanske energiministeriums nationale laboratorier, den akademiske verden og industrien for at fremme IFE-systemkomponenterne. Inertial indeslutningsfusion er en førende fusionsmetode, der bruger lasere eller andre teknologier til at komprimere og opvarme tæt plasma. IFE-star-programmet vil udvikle: måldesign med høj gevinst; højeffektive lasere med høje gentagelseshastigheder; og livsrelevant fremstilling, sporing og engagement af fusionsmål. IFE-star-programmet er designet til at levere en bred vifte af teknologier til at understøtte IFE-systemet, herunder brugen af ​​lasere, lasere og lasere i en lang række applikationer. En vigtig komponent i det finansierede projekt er forvaltningen af ​​inertifusionsøkosystemet, herunder udviklingen af ​​en inkluderende og mangfoldig arbejdsstyrke.
University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE), drevet af sine 400 Rochester-medarbejdere, har længe været på forkant med energi, videnskab og teknologi. Sidste år nåede forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory, støttet af LLE, den første milepæl for nettoenergiforøgelse.
Som et resultat af gennembruddet på Lawrence Livermore National Laboratory's National Ignition Facility har inerti indeslutningsfusion fået endnu større interesse og opmærksomhed. IFE-star-projektet har til formål at adressere almindelige videnskabelige og teknologiske huller i de forventede teknologiske køreplaner for de deltagende IFE-fusionsselskaber i Office of Sciences Milestone Fusion Development Program ved at tage fat på de prioriterede forskningsmuligheder, der er skitseret i IFE Workshop on Basic Research Needs-rapporten. Fortsat fremskridt. I modsætning til magnetisk indeslutningsfusion, som er designet til at opretholde plasmabrænding i lange perioder, vil IFE kræve dannelse af gentagne impulser. Et mål er at udvikle den videnskab og teknologi, der er nødvendig for at flytte inertifusion fra enkeltforsøg med lav forstærkning til de højforstærkede, høje gentagelseshastigheder, der er nødvendige for potentielle IFE-pilotanlæg.
Det amerikanske energiministerium er ved at etablere et dedikeret program gennem IFE-star. Det udvalgte projekt vil opbygge og udnytte verdensførende kapaciteter, ekspertise, diagnostik og faciliteter, og IFE-star vil også udvide IFE-forskningen betydeligt finansieret af DOE Advanced Research Projects Agency for Energy (ARPA-E) og Office of Science .