75 vuoden ajan on ollut unelma tuottaa auringon kaltaista fuusiota maan päällä. Tiedemiesten ja insinöörien ryhmät ympäri maailmaa ovat käyttäneet kymmeniä miljardeja dollareita erilaisiin fuusiomenetelmiin, mutta ovat pitkään kamppailleet saavuttaakseen "nettoenergian lisäyksen" virstanpylvään.
Vielä vuosi sitten kaikki kuitenkin muuttui.
5. joulukuuta 2022 Lawrence Livermore National Laboratoryn (LLNL) National Ignition Facility (NIF) -laitoksessa maailman suurin ja eniten energiaa käyttävä laser laukaisi 192 lasersädettä ja osoitti ne pippurin kokoiseen kohteeseen luoden pienen "auringon" " maan päällä. Ammuttuaan kohteeseen 2,05 megajoulea laserenergiaa, koe tuotti enemmän fuusioenergiaa kuin kuluu fuusiopolttoaineen sytyttämiseen tuottamalla 3,15 megajoulea energiaa - merkittävä tieteellinen läpimurto vuosikymmeniin.
Laserenergiarajan rikkominen jälleen
Onneksi Yhdysvaltain Lawrence Livermore National Laboratoryn (LLNL) National Ignition Facility (NIF) teki äskettäin uuden laserenergian ennätyksen - säteilee 2,2 megajoulea (MJ) ensimmäistä kertaa sytytyskohteessa.
Äskettäin raportoitu koe, joka suoritettiin 30. lokakuuta, tuotti 3,4 MJ fuusioenergiaa, saavutti syttymisen ja tuotti kaikkien aikojen toiseksi suurimman neutronisaannon NIF:ssä.
Gordon Brunton, National Ignition Facilityn (NIF) johtaja, sanoi: "Tämä laserenergian ennätystaso on uskomaton saavutus, jonka saavuttaminen vaati vuosia kovaa työtä. Ja se on neljäs onnistunut fuusiosytytyksen demonstraatiomme NIF:ssä. Tämä työ on laboratorion tehtävän kannalta olennainen, sillä se tarjoaa uusia ominaisuuksia, jotka voivat tukea National Nuclear Security Administrationin varastonhallintaohjelmaa ja toivottavasti tuoda meidät lähemmäksi fuusioenergian tulevaisuutta."
5. joulukuuta 2022 LLNL saavutti fuusiosytytyksen ensimmäistä kertaa. Toinen kerta oli 30. heinäkuuta 2023, jolloin NIF-laser toimitti 2,05 megajoulea energiaa kohteeseen kontrolloidussa fuusiokokeessa, mikä tuotti 3,88 megajoulea fuusioenergiaa, mikä on suurin tähän mennessä saavutettu energianlisäys. NIF-laser saavutti fuusiosytytyksen 8. lokakuuta 2023, laserenergialla 1,9 MJ ja fuusioenergian teholla 2,4 MJ.
Tärkeimmät edistysaskeleet ydinfuusion alalla
"Olemme jyrkässä suorituskyvyn kasvukäyrässä", sanoi Jean-Michel Di Nicola, NIF:n ja Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organisaation yhteinen projektijohtaja. "Laserenergian lisääminen antaa meille enemmän liikkumavaraa käsitellä kysymyksiä, kuten polttoainetta. kapselivauriot tai polttoaineen hotspot-epäsymmetriat. Suuremmat laserenergiat auttavat saavuttamaan vakaampia räjähdyksiä, jotka puolestaan johtavat korkeampiin energiatuotteisiin."
Ei ole epäilystäkään laserin kyvystä toimittaa näin paljon energiaa. Ja haasteena on suojella NIF:n arvokasta optiikkaa roskavaurioilta, sanoo NIF:n toimintapäällikkö Bruno Van Wonterghem: "Laser itsessään pystyy tuottamaan suurempia energioita tekemättä perustavia muutoksia laseriin. Teemme kaiken tämän maksimoidaksemme vaurioiden hallinnan. Loppujen lopuksi, jos energiaa on liikaa ilman asianmukaista suojausta, optiikkasi voi räjähtää palasiksi."
NIF hallitsee maailman ainoaa laserjärjestelmää, joka toimii vauriokynnyksen yläpuolella. Tämä saavutus on osittain mahdollista optisen kierrätyssilmukan ansiosta.
Vahvemmat laserit, parempi suorituskyky
Kaksi suurta lievennystoimenpidettä, jotka valmistuivat kesäkuussa 2023, olivat kriittisiä 2,2 MJ:n laserenergian toimittamiseksi kohteeseen: sulatetun piidioksidiroskasuojauksen käyttö kahdessa kolmasosassa NIF:n sädelinjoista ja metallisuojauksen asentaminen 32 alemman pallonpuoliskon sädelinjaan. , joka on säteen linjasta riippuen vähentänyt roskien aiheuttamien vaurioiden määrää kertoimella 10-100. Nämä alemman valokeilan optiikat vastaanottavat eniten roskia kohdekammiosta painovoiman vuoksi.
Muita parannuksia ovat uudet heijastuksenestopinnoitteet, höyryheksametyylidiatsepaani (HMDS) -käsittely ja optisen palautussilmukan kapasiteetin lisääminen. Uusi lieventävä aine - harmaan reunan esto - ratkaisee ongelman, jota tutkijat eivät vielä olleet tunnistaneet.
"On osa säteitä, jotka eivät toimi yhtä hyvin kuin muut", Di Nicola sanoo, "ja huomasimme, että jos vähennämme radikaalisti laserenergian tiheyttä varjostamalla sädelinjan yhteen reunaan, nämä sädelinjat toimivat paremmin. Emme ole vielä aivan varmoja, mikä ongelman perimmäinen syy on, mutta tutkimme asiaa aktiivisesti tulevaisuudessa."
Mysteerin ratkaiseminen tuli luonnollisesti tiedemiehille ja insinööreille, jotka työskentelevät maailman energisimmän laserjärjestelmän, NIF:n parissa, ja OMST:n pääedustaja Tayyab Suratwala sanoi: "Olemme tutkineet laservaurioita ja tunnistaneet lieventämistoimenpiteet, jotka on mallinnettu ja testattu. Jokainen kuitenkin Kun lisäämme laserenergiaa, astumme ennennäkemättömälle alueelle ja paljastamme uusia vahinkomekanismeja."
Enemmän energiaa ei yksinään riitä ylläpitämään National Institute of Sciencen uskomatonta ennätystä tieteellisistä läpimurroista. Di Nicola: "Sinun täytyy heilua sitä isompaa vasaraa hallinnassa ja taidolla. Laserpulssi kestää vain sekunnin miljardisosan, joten sinun on ole erittäin tarkka saadaksesi sen oikein."
Tätä tarkoitusta varten tiimi sai äskettäin päätökseen High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS) -järjestelmän käyttöönoton, joka mahdollistaa tarkemman ja tarkemman pulssin muotoilun. HiFiPS on vuosia valmisteltava projekti, joka mahdollistaa paremman tehotasapainon ja symmetrisen ohjauksen törmäyksissä.
Toisena parannuksena tiimi kunnosti laitteen optiset kuidut tehdäkseen niistä kestävämpiä toistuvaa neutronialtistusta vastaan. Näitä kuituja käytetään mittaamaan tarkasti kohteeseen lähetetyt laserpulssit. Kunnostus lisäsi signaalin voimakkuutta kertoimella 10-100, jolloin tutkijat pystyivät edelleen "näkemään" laserin suorituskykyä.
Mitkä ovat tulevaisuuden toiveet?
Tällä hetkellä laser on tuottanut 2,2 megajoulea laserenergiaa. Ryhmä palasi tutkimusvaiheeseen ja suoritti saman prosessin ensimmäisen fuusiosytytyksen tuottaneen kokeen jälkeen.
Tarkastelemme optiikkaa, arvioimme vaurioita ja ymmärrämme, kuinka usein voimme käyttää tätä uutta kykyä", Suratwala sanoi. Sillä välin juhlimme tätä suurta saavutusta. Se on seurausta suuren ryhmän vuosien kovasta työstä. tiimi LLNL:ssä ja monet ulkoiset kumppanit."
