Пре годину дана човечанство је први пут схватило нето енергетски добитак реакције нуклеарне фузије. Током ове године НИФ се континуирано усавршавао и успешно је реализовао још три паљења, оборивши неколико рекорда у низу! Недавно је водећи научник пројекта изабран за једног од 10 најбољих људи године у природи...
Пре годину дана човечанство је први пут схватило нето енергетски добитак реакције нуклеарне фузије. У овој години НИФ је наставио да се усавршава, а затим успешно реализовао три паљења, оборивши неколико рекорда! Недавно је главни научник пројекта, али и изабран за једног од десет најбољих људи године у Натуре.
14. децембра прошле године, Национална лабораторија Лавренце Ливерморе (ЛЛНЛ) по први пут је постигла успех контролисаног паљења нуклеарне фузије, да би читаво човечанство преузело чисту енергију "Свети грал" -
Након испоруке 2,05 мегаџула (МЈ) енергије до циља, произведена је енергија фузије од 3,15 МЈ са енергетским добитком од око 1,5.
Дана 30. јула 2023. Лабораторија је постигла своју прву излазну енергију од 3,88 МЈ, највећу икада.
Лабораторија је 30. октобра поставила још један рекорд - 2. Први пут је постигнуто 2 мегаџула улазне енергије. У међувремену, излазна енергија од 3,4 мегаџула заузела је друго место.
Суочени са успешним 'паљењем' изнова и изнова, Натуре је такође узбуђено објавила чланак у којем каже - ласерска фузија ускоро улази у потпуно нову еру.
Могуће је да ће, када се контролисана нуклеарна фузија коначно реализује, човечанство имати могућност да добије огромне количине чисте енергије без угљеника по први пут у историји, револуционирајући енергетски путоказ за будућност.
Другим речима, до тада више неће бити гасова стаклене баште из сагоревања угља и нафте, нема више опасног, дуговечног радиоактивног отпада – човечанство ће имати приступ „чистој енергији“ у правом смислу те речи.
То значи да ће несташице енергије које су мучиле човечанство откако смо ушле у електрично доба нестати. Човечанство чак може да оствари невиђене технолошке пробоје у звезданој енергији коју доноси контролисана нуклеарна фузија.
Али да се прво вратимо у стварност.
Права потешкоћа у добијању ласера да испоручи тако огромне количине енергије је како заштитити драгоцену оптику НИФ-а од оштећења услед крхотина.
НИФ је једини ласерски систем на свету који може да ради изнад прага оштећења, а то је делом због оптичког циклуса опоравка развијеног у лабораторији.
Енханцед Оптицс
У јуну 2023. НИФ је завршио два кључна побољшања која су била кључна за постизање 2,2 мегаџула улазне енергије.
Ово укључује употребу заштите од остатака топљеног силицијум-диоксида на две трећине НИФ-ових снопова и уградњу металне заштите на 32 снопова доње хемисфере.
Ова побољшања су смањила стопу оштећења узрокованих крхотинама за фактор од 10 до 100, у зависности од линије снопа. Оптика на нижим сноповима примила је највише крхотина из циљне коморе због гравитације.
Остала побољшања укључују нови антирефлексни премаз, третман испареним хексаметилдисилоксаном (ХМДС) и повећање капацитета оптичког циклуса рециклаже. Као и нови „блокатор сиве ивице“ за проблем који научници тек треба да у потпуности дефинишу.
Више него само повећање енергије
Повећана енергија сама по себи није довољна за одржавање невероватних открића које је НИФ направио у науци -
Ласерски импулси трају само неколико милијардитих делова секунде, тако да је потребна изузетна прецизност да би се постигли жељени резултати.
Да би постигао овај циљ, тим је недавно завршио имплементацију система Хигх Фиделити Пулсе Схапинг (ХиФиПС).
Вишегодишњи пројекат, ХиФиПС омогућава прецизније и прецизније обликовање импулса, што заузврат омогућава бољу равнотежу снаге и контролу симетрије у имплозијама.
Поред тога, тим је обновио оптичка влакна у објекту како би били толерантнији на поновљено излагање неутронима. Ова влакна се користе за прецизно мерење ласерског импулса достављеног до циља.
Као директан резултат реновирања, јачина сигнала је повећана за фактор од 10 до 100, а истраживачи су могли да наставе да прецизно 'посматрају' перформансе ласера.
Међутим, још је дуг пут од тренутног стања технике до реализације испоруке енергије фузије у мрежу.
Иако НИФ данас има највећи ласер на свету, систем је изузетно неефикасан, са више од 99% енергије при сваком паљењу изгубљено пре него што стигне до циља.
А развој ефикаснијег ласерског система је кључни циљ ДОЕ-овог новопокренутог програма истраживања инерцијалне фузије.
Одељење је недавно објавило да ће уложити 42 милиона долара током четири године за успостављање три нова истраживачка центра који ће заједно радити на постизању овог и других научних достигнућа.
Сваки од ових центара ће укључивати националне лабораторије, универзитетске истраживаче и индустријске партнере.
А једна од централних фигура у целом програму фузије, физичарка Ени Кричер, такође је успела да уђе у 10 најбољих научника године у Натуре.
Године 2022, Ени Кричер је постигла циљ у Националном постројењу за паљење (НИФ) који је деценијама био неухватљив у лабораторијама широм света – компресовање атома до толиког екстрема да су се њихова језгра спојила и произвела више енергије него што је сама реакција потрошила.
Али након достизања ове експерименталне прекретнице (тј. паљења), тим је био под притиском да понови достигнуће.
Истраживање високих улога ретко иде глатко: тим је извршио своју прву репликацију у јуну, али резултати су били лоши.
На срећу, трећи покушај је био успешан.
30. јула, НИФ-ов 192- ласерски сноп испалио је 2,05 мегаџула енергије на мале сфере изотопа водоника деутеријума и трицијума суспендованих у златном цилиндру.
Настала имплозија је проузроковала да изотопи ослобађају енергију док се спајају у хелијум и производе температуре шест пута веће од температуре језгра Сунца.
На крају, ово је створило рекордних 3,88 мегаџула енергије фузије.
Гледајући широм света, ниједна лабораторија није успела да реализује реакцију фузије која производи више енергије него што троши све док НИФ није постигао овај подвиг.
Кричер и њен тим су затим успешно извели још два паљења у октобру, чиме је укупан број порастао на четири.
Кричер је почела да истражује фузиону енергију када је била летњи стажиста у Ливермору 2004. Убрзо се усмерила на НИФ – једно од ретких места на свету где се фузионе реакције могу проучавати.
Од тада је предводила тим који анализира експерименталне податке и користи компјутерске моделе за дизајнирање експеримената – прилагођавањем параметара као што су величина и конфигурација мете и енергија и тајминг различитих ласерских зрака – да би се постигао и повећао принос фузије. Када њен тим заврши дизајн, експериментални тим преузима испаљивање ласера и прикупљање података.
Процес је показао да је Кричер изузетна, а то је довело до тога да је постала један од водећих дизајнера на НИФ-у 2016.
Током наредних неколико година, Кричер и њен тим су хватали бројеве и прилагођавали дизајн НИФ-овог главног експерименталног програма. Док је правио различите измене на мети, тим је такође користио различита побољшања како би повећао укупну енергију ласера. Резултат је да се нуклеарна фузија остварује, све чешће.
Са успехом 'Игнитион-а', Кричер је започео нову серију експеримената - поново повећавајући принос испоруком више ласерске енергије у дебљу циљну капсулу.
А ово представља још један корак ка постизању десетина тераџула или чак већих приноса на НИФ-у.
Контролисана фузија, Свети грал чисте енергије
Једноставно речено, нуклеарна фузија је процес у коме се два лака атомска језгра комбинују да би формирали теже језгро и ослободили огромну количину енергије.
Два атома водоника се сударају и полимеризују да би формирали атом хелијума, који има нешто мању масу од оригиналног атома водоника. Према Ајнштајновој култној Е=мц² једначини маса-енергија, ова разлика масе се претвара у налет енергије.
У језгру Сунца, сваке секунде се дешава фузија 620 милиона тона водоника. Произведена енергија је извор целокупног живота на Земљи.
Али један од великих изазова у коришћењу нуклеарне фузије је како да енергију ослобођену из реакције фузије учините већом од уложене енергије и учините процес одрживим.
НИФ принцип паљења
Шездесетих година прошлог века, група пионирских научника у ЛЛНЛ-у је претпоставила да би ласери могли да се користе за изазивање нуклеарне фузије у лабораторијском окружењу.
Ова револуционарна идеја је затим еволуирала у фузију инерцијалног затварања под вођством физичара Џона Наколса.
Да би реализовао овај концепт, ЛЛНЛ је изградио серију све снажнијих ласерских система, што је кулминирало највећим и најенергичнијим НИФ-ом на свету.
У експерименту, ласери су опонашали услове у центру Сунца спајајући тешке изотопе водоника, деутеријум и трицијум, у хелијум.
Прво, одређени број водоничних гранула је стављен у уређај величине зрна бибера, а затим је коришћен моћни ласер 192- за загревање и компресију водоничног горива.
Ласери, када уђу у торус, ударају у унутрашње зидове и изазивају их да емитују рендгенске зраке, који га затим могу загрејати до 100 милиона степени Целзијуса – топлије од центра Сунца – и компримовати га на више од 100 милијарди пута. атмосферски притисак Земље.
Ласери високе енергије би плазмизирали површину мрље, а остатак централног материјала, вођен Њутновим трећим законом, на крају би колабирао према центру и имплодирао.
У тренутку имплозије, може доћи до ланчане реакције - или "паљења" - ако се на пелет за гориво примени одговарајућа количина топлоте и притиска, који затим ослобађа велику количину енергије.
Инжењерска чуда
Натионал Игнитион Фацилити (НИФ), који чини све наведено могућим, такође је изузетно достигнуће у инжењерству и технологији.
Научници за материјале и ласерски физичари радили су са инжењерима на дизајнирању објекта који садржи 7.500 великих оптика, 26000 малих оптика и више од 66000 контролних тачака.
Ова оптика и друге компоненте садржане су у приближно 6.200 сложених модуларних јединица под називом Лине Реплацеабле Унитс (ЛРУс). Могу се брзо заменити када је то потребно да би се обезбедио континуиран рад објекта.
НИФ ласерски пулс путује један километар и траје 4,5 микросекунде од почетног формирања импулса у комори главног осцилатора до достизања циља. Временска разлика да се стигне до центра циљне коморе је 30 пикосекунди са тачношћу од 50 микрона.
Постизање ове врсте стабилности усмеравања и апсолутне тачности на мети је огроман инжењерски изазов, који захтева чврсту стабилност оптичког потпорног система, прецизно позиционирање и поравнање компоненти, и ригорозно прецизан компјутеризовани систем за мерење времена.
Да би се одговорило на ове изазове, све структуре које подржавају НИФ огледала и сочива су дизајниране са изузетном стабилношћу на уму.
Инжењерски тим је пажљиво израчунао могуће ефекте на ласерске компоненте, обично ласерска огледала, за све изворе вибрација, укључујући пумпе, моторе и трансформаторе.
Through careful modeling, both vibration (>1Хз) и дрифт (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Поред тога, како би се осигурало да компоненте линије снопа не утичу на ласерску висину, тим је користио технике прецизног мерења, што је резултирало ригорозном мрежом мерења и контролисаном физичком локацијом свих компоненти линије снопа. Положаји свих кућишта греда, потпорних система и нишанских комора били су тачни до четврт милиметра.
Ове информације су затим достављене пројектантском тиму, који је пројектовао конструкцију са довољном крутошћу и пригушењем, тако да одговор конструкције на вибрације тла и очекиване вибрације од грађевинске опреме испуњавају свеукупне захтеве стабилности.
Обезбеђивање да сва 192 ласерска зрака стигну у року од наведених 30 пикосекунди постигнуто је помоћу система прецизног мерења времена користећи ГПС сателитски систем који стално ажурира интерни сат. Интегрисани софтвер и хардвер стално прате и ажурирају време како би се одржала тачност.
Сваки механички интерфејс је дизајниран за бољу толеранцију од 300 фемтосекунди (три трилионтинке секунде), тако да се ЛРУ-ови могу променити у било ком тренутку како би се одржала тачност времена. Поред тога, строго контролисан програм одржава системски тајминг за сваки ЛРУ.
Мада, још увек не можемо да применимо нуклеарну фузију на производњу енергије са овим уређајем.
Али на скали од 60 година, човечанство је направило велики искорак.
За будућност, можда ћемо моћи да задржимо више маште.
