Већ 75 година био је сан да се на Земљи репродукује соларна фузија. Тимови научника и инжењера широм света потрошили су десетине милијарди долара на различите методе фузије, али су се дуго борили да достигну прекретницу „нето добитка енергије“.
До пре годину дана, међутим, све се променило.
Дана 5. децембра 2022. године, у Националном постројењу за паљење (НИФ) у Националној лабораторији Лоренс Ливермор (ЛЛНЛ), највећи светски ласер са највећом енергијом испалио је 192 ласерска зрака и усмерио их на мету величине зрна бибера, стварајући мало „сунце“. " на земљи. Након испаљивања 2,05 мегаџула ласерске енергије на мету, експеримент је произвео више енергије фузије него што је потребно да се запали фузионо гориво генерисањем 3,15 мегаџула излазне енергије - велики научни пробој у деценијама.
Поново пробијање ограничења енергије ласера
Срећом, Национална установа за паљење (НИФ) у Националној лабораторији Лоренс Ливермор (ЛЛНЛ) у Сједињеним Државама недавно је поставила још један нови рекорд за ласерску енергију – емитујући 2,2 мегаџула (МЈ) по први пут на мети за паљење.
Недавно пријављени експеримент, спроведен 30. октобра, произвео је 3,4 МЈ фузионе енергије, постигао паљење и произвео други највећи принос неутрона икада на НИФ-у.
Гордон Брунтон, директор Натионал Игнитион Фацилити (НИФ), рекао је: "Овај рекордни ниво ласерске енергије је невероватно достигнуће за које су биле потребне године напорног рада. И означава нашу четврту успешну демонстрацију фузионог паљења у НИФ-у. Овај рад је од суштинског значаја за мисију Лабораторије, са новим способностима које могу подржати Програм управљања залихама Националне администрације за нуклеарну безбедност и надамо се да ће нас приближити будућности фузионе енергије."
5. децембра 2022. ЛЛНЛ је по први пут постигао фузионо паљење. Други пут је био 30. јула 2023. године, када је НИФ ласер испоручио 2,05 мегаџула енергије до циља у експерименту контролисане фузије, производећи излазну енергију фузије од 3,88 мегаџула, што је највећи енергетски добитак до сада. НИФ ласер је постигао фузионо паљење 8. октобра 2023. са ласерском енергијом од 1,9 МЈ и излазном енергијом фузије од 2,4 МЈ.
Кључни напредак у нуклеарној фузији
„Налазимо се на стрмој кривуљи раста перформанси“, рекао је Јеан-Мицхел Ди Ницола, заједнички директор пројекта НИФ-а и организације Пхотон Сциенце Ласер Сциенце анд Системс Енгинееринг. „Повећање ласерске енергије даје нам више слободе да се бавимо питањима као што је гориво дефекти капсуле или асиметрије жаришта горива. Веће ласерске енергије помажу у постизању стабилнијих имплозија, што заузврат доводи до већег приноса енергије."
Нема сумње у способност ласера да испоручи оволику енергију. А изазов је заштитити НИФ-ову драгоцену оптику од оштећења од крхотина, каже Бруно Ван Вонтергхем, оперативни менаџер у НИФ-у: „Ласер је сам способан да генерише веће енергије без суштинских промена на ласеру. Све ово радимо да бисмо максимално повећали контролу штете. На крају крајева, ако има превише енергије без одговарајуће заштите, ваша оптика може бити разнесена у комадиће."
НИФ управља јединим ласерским системом на свету који ради изнад прага оштећења, што је делом омогућено тако што је познато као оптичка петља за рециклажу.
Јачи ласери, боље перформансе
Две главне мере ублажавања, завршене у јуну 2023. године, биле су критичне за испоруку 2,2 МЈ ласерске енергије до циља - коришћење заштите од остатака топљеног силицијум-диоксида на две трећине НИФ-ових снопова и постављање металне заштите на 32 снопова доње хемисфере. , који је, у зависности од линије снопа, смањио стопу оштећења изазваних крхотинама за фактор смањен за фактор 10-100. Ова оптика доњег снопа прима највише крхотина из циљне коморе због гравитације.
Остала побољшања укључују нове антирефлексне премазе, третман паром хексаметилдиазепана (ХМДС) и повећан капацитет оптичке петље за опоравак. Ново средство за ублажавање - блокатор сиве ивице - решава проблем који научници још нису идентификовали.
„Постоји подскуп снопова који не раде тако добро као други“, каже Ди Никола, „и открили смо да ако радикално смањимо густину ласерске енергије бацањем сенке на једну ивицу снопа, те линије снопа раде боље . Још увек нисмо сасвим сигурни шта је основни узрок проблема, али ћемо то активно истраживати у будућности."
Научницима и инжењерима који раде на најенергетском ласерском систему на свету, НИФ-у, решавање мистерије је природно дошло, а главни представник ОМСТ-а Тајјаб Суратвала је рекао: „Прегледали смо ласерско оштећење и идентификовали да су мере за ублажавање моделоване и тестиране. Међутим, сваки када повећавамо ласерску енергију, улазимо на територију без преседана и откривамо нове механизме оштећења."
Само више енергије није довољно да се одржи невероватан рекорд Националног института за науку о научним открићима. Ди Никола: „Морате да замахнете тим већим чекићем са контролом и вештином. Ласерски пулс траје само милијарду секунде, тако да морате да будите веома прецизни да бисте то урадили како треба."
У том циљу, тим је недавно завршио имплементацију система Хигх Фиделити Пулсе Схапинг (ХиФиПС), који омогућава прецизније и прецизније обликовање импулса. ХиФиПС је пројекат који се годинама ствара који омогућава бољу равнотежу снаге и симетричну контролу у имплозијама.
У другом побољшању, тим је обновио оптичка влакна уређаја како би их учинио отпорнијим на поновљено излагање неутронима. Ова влакна се користе за прецизно мерење ласерских импулса који се преносе до циља. Обнова је повећала јачину сигнала за фактор 10-100, омогућавајући истраживачима да наставе да „виде“ перформансе ласера.
Какве су наде за будућност?
Тренутно, ласер испоручује 2,2 мегаџула ласерске енергије. Тим се вратио у фазу истраживања и спровео исти процес након првог експеримента који је произвео паљење фузије.
Гледамо у оптику, процењујемо штету и схватамо колико често можемо да користимо ову нову способност", рекао је Суратвала. У међувремену, славимо ово велико достигнуће. То је резултат година напорног рада великог броја тим у оквиру ЛЛНЛ-а и многи спољни партнери."
