I 75 år har det været en drøm at reproducere sollignende fusion på Jorden. Hold af videnskabsmænd og ingeniører over hele verden har brugt titusindvis af milliarder af dollars på forskellige fusionsmetoder, men har længe kæmpet for at nå milepælen "netto energigevinst".
Indtil for et år siden ændrede det sig dog.
Den 5. december 2022 ved National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) affyrede verdens største og højeste energi-laser 192 laserstråler og pegede dem mod et mål på størrelse med peberkorn, hvilket skabte en lille "sol " på jorden. Efter at have affyret 2,05 megajoule laserenergi mod målet producerede eksperimentet mere fusionsenergi, end det tager at antænde fusionsbrændstof ved at generere 3,15 megajoules energioutput - et stort videnskabeligt gennembrud i årtier.
Bryder laserenergigrænsen igen
Heldigvis satte National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i USA for nylig endnu en ny rekord for laserenergi - udsender 2,2 megajoule (MJ) for første gang på et antændingsmål.
Det nyligt rapporterede eksperiment, udført den 30. oktober, producerede 3,4 MJ fusionsenergi, opnåede antændelse og producerede det næsthøjeste neutronudbytte nogensinde ved NIF.
Gordon Brunton, direktør for National Ignition Facility (NIF), sagde: "Dette rekordniveau af laserenergi er en utrolig præstation, som det tog mange års hårdt arbejde at opnå. Og det markerer vores fjerde succesfulde demonstration af fusionsantændelse på NIF. Dette arbejde er grundlæggende for laboratoriets mission med nye kapaciteter, der kan understøtte National Nuclear Security Administrations Stockpile Stewardship Program og forhåbentlig bringe os tættere på fremtiden for fusionsenergi."
Den 5. december 2022 opnåede LLNL fusionstænding for første gang. Anden gang var den 30. juli 2023, hvor NIF-laseren leverede 2,05 megajoule energi til målet i et kontrolleret fusionseksperiment, hvilket producerede en fusionsenergiydelse på 3,88 megajoule, den højeste energiforøgelse, der er opnået til dato. NIF laser opnået fusionstænding var den 8. oktober 2023 med en laserenergi på 1,9 MJ og en fusionsenergiudgang på 2,4 MJ.
Vigtige fremskridt inden for nuklear fusion
"Vi er på en stejl præstationsvækstkurve," sagde Jean-Michel Di Nicola, fælles projektdirektør for NIF og Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organisation, "At øge laserenergien giver os mere spillerum til at løse problemer som brændstof. kapseldefekter eller brændstof-hotspot-asymmetrier. Højere laserenergier hjælper med at opnå mere stabile implosioner, som igen fører til højere energiudbytte."
Der er ingen tvivl om laserens evne til at levere så meget energi. Og udfordringen er at beskytte NIFs dyrebare optik mod affaldsskader, siger Bruno Van Wonterghem, driftsleder hos NIF: "Laseren i sig selv er i stand til at generere højere energier uden at foretage fundamentale ændringer af laseren. Vi gør alt dette for at maksimere skadeskontrol. Når alt kommer til alt, hvis der er for meget energi uden ordentlig beskyttelse, kan din optik blive sprængt i stykker."
NIF administrerer det eneste lasersystem i verden, der fungerer over skadestærsklen, en bedrift, der delvist er muliggjort af det, der er kendt som Optical Recycling Loop.
Stærkere lasere, bedre ydeevne
To store afbødende foranstaltninger, afsluttet i juni 2023, var afgørende for at levere 2,2 MJ laserenergi til målet - brugen af afskærmning af smeltet silicarester på to tredjedele af NIF's strålelinjer og installation af metalafskærmning på 32 strålelinjer på den nedre halvkugle , som, afhængigt af strålelinien, har reduceret antallet af affaldsinducerede skader med en faktor på reduceret med en faktor på 10-100. Disse optik med nedre strålelinje modtager mest affald fra målkammeret på grund af tyngdekraften.
Andre forbedringer omfatter nye anti-reflekterende belægninger, damp-hexamethyldiazepan (HMDS) behandling og øget kapacitet af den optiske genopretningsløkke. Et nyt formildende middel - en gråkantblokker - løser et problem, som forskerne endnu ikke havde identificeret.
"Der er en delmængde af stråler, der ikke præsterer så godt som andre," siger Di Nicola, "og vi fandt ud af, at hvis vi radikalt reducerer laserenergitætheden ved at kaste en skygge på den ene kant af strålelinjen, yder disse strålelinjer bedre . Vi er stadig ikke helt sikre på, hvad årsagen til problemet er, men vi vil aktivt undersøge dette i fremtiden."
At løse mysteriet kom naturligt for de videnskabsmænd og ingeniører, der arbejder på verdens mest energiske lasersystem, NIF, og OMSTs chefrepræsentant Tayyab Suratwala sagde: "Vi har undersøgt laserskaden og identificeret, at afhjælpningsforanstaltningerne blev modelleret og testet. Men hver Når vi øger laserenergien, går vi ind på et hidtil uset territorium og afslører nye skadesmekanismer."
Mere energi alene er ikke nok til at opretholde National Institute of Sciences utrolige rekord af videnskabelige gennembrud.Di Nicola: "Du skal svinge den større hammer med kontrol og dygtighed. Laserpulsen varer kun en milliardtedel af et sekund, så du skal være meget præcis for at få det helt rigtigt."
Til det formål har teamet for nylig afsluttet implementeringen af High Fidelity Pulse Shaping-systemet (HiFiPS), som muliggør mere præcis og præcis pulsformning. HiFiPS er et år under udvikling, der muliggør bedre strømbalance og symmetrisk kontrol i implosioner.
I en anden forbedring renoverede holdet enhedens optiske fibre for at gøre dem mere modstandsdygtige over for gentagen neutroneksponering. Disse fibre bruges til nøjagtigt at måle de laserimpulser, der sendes til målet. Renoveringen øgede signalstyrken med en faktor på 10-100, hvilket gjorde det muligt for forskere at fortsætte med at "se" laserens ydeevne.
Hvad er håbet for fremtiden?
I øjeblikket har laseren leveret 2,2 megajoule laserenergi. Holdet gik tilbage til forskningsstadiet og udførte den samme proces efter det første eksperiment, der producerede fusionsantændelse.
Vi kigger på optikken, vurderer skaden og forstår, hvor ofte vi kan bruge denne nye evne," sagde Suratwala. I mellemtiden fejrer vi denne store præstation. Det er resultatet af mange års hårdt arbejde af en stor team inden for LLNL og mange eksterne partnere."
