Timp de 75 de ani, a fost un vis să reproducem fuziunea solară pe Pământ. Echipe de oameni de știință și ingineri din întreaga lume au cheltuit zeci de miliarde de dolari pe diferite metode de fuziune, dar s-au luptat de mult să atingă reperul „câștigului net de energie”.
Până acum un an, însă, totul s-a schimbat.
Pe 5 decembrie 2022, la National Ignition Facility (NIF) de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), cel mai mare și cu cea mai mare energie laser din lume a tras 192 de fascicule laser și le-a îndreptat către o țintă de dimensiunea unui boabe de piper, creând un „soare” mic. " pe pamant. După ce a tras 2,05 megajouli de energie laser către țintă, experimentul a produs mai multă energie de fuziune decât este nevoie pentru a aprinde combustibilul de fuziune prin generarea de 3,15 megajouli de energie - o descoperire științifică majoră în decenii.
Depășirea limitei energiei laser din nou
Din fericire, National Ignition Facility (NIF) de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) din Statele Unite ale Americii a stabilit recent un alt nou record pentru energia laser - emitând 2,2 megajouli (MJ) pentru prima dată pe o țintă de aprindere.
Noul experiment raportat, desfășurat pe 30 octombrie, a produs 3,4 MJ de energie de fuziune, a realizat aprindere și a produs al doilea cel mai mare randament de neutroni vreodată la NIF.
Gordon Brunton, directorul National Ignition Facility (NIF), a declarat: „Acest nivel record de energie laser este o realizare incredibilă, care a avut nevoie de ani de muncă grea pentru a fi realizată. Și marchează a patra demonstrație de succes a aprinderii prin fuziune la NIF. Această lucrare. este fundamentală pentru misiunea Laboratorului, cu noi capabilități care pot sprijini Programul de administrare a stocurilor al Administrației Naționale de Securitate Nucleară și, sperăm, să ne aducă mai aproape de viitorul energiei de fuziune.”
Pe 5 decembrie 2022, LLNL a realizat pentru prima dată aprinderea prin fuziune. A doua oară a fost pe 30 iulie 2023, când laserul NIF a livrat țintei 2,05 megajouli de energie într-un experiment de fuziune controlată, producând o ieșire de energie de fuziune de 3,88 megajouli, cel mai mare câștig de energie realizat până în prezent. A treia oară când Aprinderea prin fuziune cu laserul NIF a avut loc pe 8 octombrie 2023, cu o energie laser de 1,9 MJ și o ieșire de energie de fuziune de 2,4 MJ.
Progrese cheie în fuziunea nucleară
„Suntem pe o curbă abruptă de creștere a performanței”, a spus Jean-Michel Di Nicola, director de proiect comun al NIF și Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization, „Creșterea energiei laser ne oferă mai multă libertate de a aborda probleme precum combustibilul. defecte de capsulă sau asimetrii ale punctelor fierbinți de combustibil. Energiile laser mai mari ajută la obținerea unor implozii mai stabile, care la rândul lor conduc la randamente mai mari de energie."
Nu există nicio îndoială cu privire la capacitatea laserului de a furniza atât de multă energie. Iar provocarea este de a proteja optica prețioasă a NIF de deteriorarea reziduurilor, spune Bruno Van Wonterghem, manager de operațiuni la NIF: „Laserul în sine este capabil să genereze energii mai mari fără a face modificări fundamentale la laser. Facem toate acestea pentru a maximiza controlul daunelor. La urma urmei, dacă există prea multă energie fără o protecție adecvată, optica ta poate fi distrusă.”
NIF gestionează singurul sistem laser din lume care funcționează peste pragul de deteriorare, o performanță posibilă în parte prin ceea ce este cunoscut sub numele de bucla de reciclare optică.
Laser mai puternice, performanță mai bună
Două măsuri majore de atenuare, finalizate în iunie 2023, au fost esențiale pentru a furniza 2,2 MJ de energie laser către țintă - utilizarea de ecranare cu resturi de silice topită pe două treimi din liniile de lumină ale NIF și instalarea de ecrane metalice pe 32 de linii de radiație din emisfera inferioară. , care, în funcție de linia fasciculului, a redus rata daunelor induse de resturi cu un factor redus cu un factor de 10-100. Aceste optice ale liniei de lumină inferioare primesc cele mai multe resturi din camera țintă din cauza gravitației.
Alte îmbunătățiri includ noi acoperiri anti-reflex, tratamentul cu vapori de hexametildiazepan (HMDS) și capacitatea crescută a buclei de recuperare optică. Un nou agent de atenuare - un blocant cu marginile gri - rezolvă o problemă pe care oamenii de știință nu au identificat-o încă.
„Există un subset de fascicule care nu funcționează la fel de bine ca altele”, spune Di Nicola, „și am constatat că, dacă reducem radical densitatea energiei laser, aruncând o umbră pe o margine a liniei de lumina, acele linii de fascicul au rezultate mai bune. . Încă nu suntem siguri care este cauza principală a problemei, dar vom investiga în mod activ acest lucru în viitor.”
Rezolvarea misterului a venit în mod natural oamenilor de știință și inginerilor care lucrează la cel mai energetic sistem laser din lume, NIF, iar reprezentantul șef al OMST, Tayyab Suratwala, a spus: „Am examinat daunele laser și am identificat măsurile de atenuare care au fost modelate și testate. Cu toate acestea, fiecare când creștem energia laserului, intrăm pe un teritoriu fără precedent și dezvăluim noi mecanisme de deteriorare.”
Mai multă energie în sine nu este suficientă pentru a susține incredibilul record al Institutului Național de Știință de descoperiri științifice. Di Nicola: „Trebuie să balansezi acel ciocan mai mare cu control și îndemânare. Pulsul laser durează doar o miliardime de secundă, așa că trebuie să fii foarte precis pentru a fi corect.”
În acest scop, echipa a finalizat recent implementarea sistemului High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS), care permite modelarea pulsului mai precisă și mai precisă.
Într-o altă îmbunătățire, echipa a recondiționat fibrele optice ale dispozitivului pentru a le face mai rezistente la expunerea repetată la neutroni. Aceste fibre sunt folosite pentru a măsura cu precizie impulsurile laser transmise țintei. Renovarea a crescut puterea semnalului cu un factor de 10-100, permițând cercetătorilor să „vadă” în continuare performanța laserului.
Care sunt speranțele pentru viitor?
În prezent, laserul a furnizat 2,2 megajouli de energie laser. Echipa a revenit la etapa de cercetare și a efectuat același proces după primul experiment care a produs aprinderea prin fuziune.
Ne uităm la optică, evaluăm daunele și înțelegem cât de des putem folosi această nouă capacitate", a spus Suratwala. Între timp, sărbătorim această realizare majoră. Este rezultatul anilor de muncă asiduă a unui mare partener. echipa din cadrul LLNL și mulți parteneri externi.”
