Acum un an, omenirea a realizat pentru prima dată câștigul net de energie al reacției de fuziune nucleară. Pe parcursul acestui an, NIF a fost imbunatatit continuu si a realizat cu succes inca trei aprinderi, doborand mai multe recorduri la rand! Recent, principalul om de știință al proiectului a fost selectat drept unul dintre Top 10 oameni ai anului din Nature...
Acum un an, omenirea a realizat pentru prima dată câștigul net de energie al reacției de fuziune nucleară. În acest an, NIF a continuat să se îmbunătățească și apoi a realizat cu succes trei aprinderi, doborând mai multe recorduri! Recent, principalul om de știință al proiectului, dar a fost, de asemenea, selectat ca unul dintre cei mai buni zece oameni ai anului din Nature.
14 decembrie anul trecut, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), pentru prima dată pentru a obține un succes controlat de aprindere prin fuziune nucleară, pentru ca toată omenirea să scoată energia curată "Sfântul Graal" -
După ce a furnizat 2,05 megajouli (MJ) de energie către țintă, a fost produsă o ieșire de energie de fuziune de 3,15 MJ cu un câștig de energie de aproximativ 1,5.
La 30 iulie 2023, Laboratorul a atins prima sa energie de ieșire de 3,88 MJ, cea mai mare din toate timpurile.
Pe 30 octombrie, laboratorul a stabilit un alt record de - 2,2 megajouli de energie de intrare a fost atins pentru prima dată. Între timp, energia de ieșire de 3,4 megajouli s-a clasat pe locul al doilea.
În fața „aprinderii” de succes din nou și din nou, Natura a publicat, de asemenea, entuziasmată un articol care spunea - fuziunea cu laser este pe cale să intre într-o eră cu totul nouă.
Este de imaginat că atunci când fuziunea nucleară controlată se va realiza în sfârșit, omenirea va avea posibilitatea de a obține cantități masive de energie curată fără carbon pentru prima dată în istorie, revoluționând foaia de parcurs energetic pentru viitor.
Cu alte cuvinte, până la acel moment, nu vor mai exista gaze cu efect de seră de la arderea cărbunelui și petrolului, nu vor mai exista deșeuri radioactive periculoase, cu viață lungă - omenirea va avea acces la „energie curată” în adevăratul sens al cuvântului.
Aceasta înseamnă că lipsa de energie care a afectat omenirea de când am intrat în era electrică va dispărea. Omenirea poate chiar realiza descoperiri tehnologice fără precedent în energia stelară adusă de fuziunea nucleară controlată.
Dar să revenim mai întâi la realitate.
Adevărata dificultate în a face laserul să furnizeze cantități atât de uriașe de energie este modul de a proteja optica prețioasă a NIF de deteriorarea cauzată de reziduuri.
NIF este singurul sistem laser din lume care poate funcționa peste pragul de deteriorare și asta se datorează parțial ciclului de recuperare optică dezvoltat în laborator.
Optică îmbunătățită
În iunie 2023, NIF a finalizat două îmbunătățiri cheie care au fost esențiale pentru atingerea energiei de intrare de 2,2 megajouli.
Acestea includ 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.
Aceste îmbunătățiri au redus rata daunelor cauzate de resturi cu un factor de la 10 la 100, în funcție de linia de lumină. Optica de la liniile de lumină inferioare a primit cele mai multe resturi din camera țintă din cauza gravitației.
Alte îmbunătățiri includ o nouă acoperire antireflex, tratament cu vapori de hexametildisiloxan (HMDS) și o creștere a capacității ciclului de reciclare optică. Precum și un nou „blocator de margini gri” pentru o problemă pe care oamenii de știință încă nu au definit-o pe deplin.
Mai mult decât o simplă creștere a energiei
Numai energia crescută nu este suficientă pentru a susține descoperirile uimitoare pe care NIF le-a făcut în știință - the
Impulsurile laser durează doar câteva miliarde de secundă, așa că este necesară o precizie extremă pentru a obține rezultatele dorite.
Pentru a atinge acest obiectiv, echipa a finalizat recent implementarea unui sistem HiFiPS (High Fidelity Pulse Shaping).
Un proiect de mai mulți ani, HiFiPS permite modelarea pulsului mai precisă și mai precisă, care, la rândul său, permite un echilibru mai bun al puterii și un control al simetriei în implozii.
În plus, echipa a renovat fibrele optice din instalație pentru a le face mai tolerante la expunerea repetată la neutroni. Aceste fibre sunt folosite pentru a măsura cu precizie pulsul laser livrat către țintă.
Ca rezultat direct al renovării, puterea semnalului a fost mărită cu un factor de la 10 la 100, iar cercetătorii au putut continua să „observe” cu precizie performanța laserului.
Cu toate acestea, mai este încă un drum lung de parcurs de la stadiul actual al tehnicii până la realizarea livrării energiei de fuziune către rețea.
Deși NIF are astăzi cel mai mare laser din lume, sistemul este extrem de ineficient, cu peste 99% din energia din fiecare aprindere pierdută înainte de a-și atinge ținta.
Iar dezvoltarea unui sistem laser mai eficient este un obiectiv cheie al programului de cercetare a fuziunii inerțiale recent lansat de DOE.
Departamentul a anunțat recent că va investi 42 de milioane de dolari în patru ani pentru a înființa trei noi centre de cercetare care să lucreze împreună pentru a realiza acest lucru și alte progrese științifice.
Fiecare dintre aceste centre va include laboratoare naționale, cercetători universitari și parteneri din industrie.
Și una dintre figurile centrale din întregul program de fuziune, fizicianul Annie Kritcher, a reușit să se înscrie și în Top 10 oameni științifici ai anului din Nature.
În 2022, Annie Kritcher a atins un obiectiv la National Ignition Facility (NIF) care a fost evaziv în laboratoarele din întreaga lume timp de decenii, comprimând atomii până la o astfel de extremă încât nucleele lor s-au fuzionat și au produs mai multă energie decât a consumat reacția în sine.
Dar după ce a atins această piatră de hotar experimentală (adică, aprinderea), echipa a fost sub presiune să repete realizarea.
Cercetarea cu mize mari decurge rareori fără probleme: echipa a efectuat prima replicare în iunie, dar rezultatele au fost slabe.
Din fericire, a treia încercare a fost un succes.
Pe 30 iulie, fasciculul laser 192-NIF a tras 2,05 megajouli de energie spre sfere mici ale izotopilor de hidrogen deuteriu și tritiu suspendați înghețați într-un cilindru de aur.
Implozia rezultată a făcut ca izotopii să elibereze energie pe măsură ce s-au fuzionat în heliu și au produs temperaturi de șase ori mai mari decât cele ale nucleului Soarelui.
În cele din urmă, acestea au creat un record de 3,88 megajouli de energie de fuziune.
Privind în jurul lumii, niciun laborator nu a reușit să realizeze o reacție de fuziune care să producă mai multă energie decât consumă până când NIF a reușit această performanță.
Kritcher și echipa ei au efectuat apoi cu succes încă două aprinderi în octombrie, ducând totalul la patru.
Kritcher a început să cerceteze energia de fuziune când era stagiar de vară la Livermore, în 2004. Curând și-a pus ochii pe NIF - unul dintre puținele locuri din lume unde pot fi studiate reacțiile de fuziune.
De atunci, ea a condus o echipă care analizează datele experimentale și utilizează modele computerizate pentru a proiecta experimente - prin ajustarea unor parametri precum dimensiunea și configurația țintei și energia și sincronizarea diferitelor fascicule laser - pentru a obține și a crește randamentele de fuziune. Odată ce echipa ei finalizează proiectarea, echipa experimentală preia tragerea laserelor și colectarea datelor.
Procesul a arătat că Kritcher este excepțională, iar asta a făcut-o să devină unul dintre designerii principali la NIF în 2016.
În următorii câțiva ani, Kritcher și echipa ei au analizat și a optimizat designul principalului program experimental al NIF. În timp ce a făcut diverse modificări la țintă, echipa a folosit și diverse îmbunătățiri pentru a crește energia generală a laserului. Rezultatul este că fuziunea nucleară se realizează, din ce în ce mai frecvent.
Odată cu succesul „Ignition”, Kritcher a început o nouă serie de experimente - crescând din nou randamentul prin furnizarea de mai multă energie laser către o capsulă țintă mai groasă.
Și acesta reprezintă un alt pas către obținerea de zeci de terajouli sau chiar randamente mai mari la NIF.
Fuziune controlată, Sfântul Graal al Energiei Curate
Mai simplu spus, fuziunea nucleară este procesul prin care două nuclee atomice ușoare se combină pentru a forma un nucleu mai greu și eliberează o cantitate imensă de energie.
Doi atomi de hidrogen se ciocnesc și se polimerizează pentru a forma un atom de heliu, care are o masă puțin mai mică decât atomul de hidrogen original. Conform ecuației emblematice E=mc² masă-energie a lui Einstein, această diferență de masă este convertită într-o explozie de energie.
În miezul soarelui, fuziunea a 620 de milioane de tone de hidrogen are loc în fiecare secundă. Energia produsă este sursa întregii vieți de pe Pământ.
Dar una dintre marile provocări în utilizarea fuziunii nucleare este modul de a face ca energia eliberată din reacția de fuziune să fie mai mare decât aportul de energie și de a face procesul durabil.
Principiul de aprindere NIF
În anii 1960, un grup de oameni de știință de pionierat de la LLNL a emis ipoteza că laserele ar putea fi folosite pentru a induce fuziunea nucleară într-un cadru de laborator.
Această idee revoluționară a evoluat apoi în fuziunea inerțială sub conducerea fizicianului John Nuckolls.
Pentru a realiza acest concept, LLNL a construit o serie de sisteme laser din ce în ce mai puternice, culminând cu cel mai mare și mai energiz NIF din lume.
În experiment, laserele au imitat condițiile din centrul Soarelui prin fuzionarea izotopilor grei de hidrogen, deuteriu și tritiu, în heliu.
Mai întâi, un număr de pelete de hidrogen au fost plasate într-un dispozitiv de dimensiunea unui bob de piper, apoi a fost folosit un puternic 192-raz laser pentru a încălzi și a comprima combustibilul cu hidrogen.
Laserele, la intrarea în torus, lovesc pereții interiori și îi fac să emită raze X, care apoi îl pot încălzi până la 100 de milioane de grade Celsius - mai fierbinte decât centrul soarelui - și îl pot comprima de peste 100 de miliarde de ori. presiunea atmosferică a Pământului.
Laserele de înaltă energie ar plasma suprafața blobului, iar restul materialului central, condus de cea de-a treia lege a lui Newton, s-ar prăbuși în cele din urmă spre centru și s-ar ploda.
În momentul imploziei, o reacție în lanț - sau „aprindere” - poate avea loc dacă peletul de combustibil este aplicată cantitatea potrivită de căldură și presiune, care apoi eliberează o cantitate mare de energie.
Minuni de inginerie
Instalația Națională de Aprindere (NIF), care face posibil toate cele de mai sus, este, de asemenea, o realizare remarcabilă în inginerie și tehnologie.
Oamenii de știință în materie de materiale și fizicienii cu laser au lucrat cu ingineri pentru a proiecta o instalație care conține 7.500 de optice mari, 26 de optice000 mici și mai mult de 66 de puncte de control000.
Aceste optice și alte componente sunt conținute în aproximativ 6.200 de unități modulare complexe numite Line Replaceable Units (LRU-uri). Ele pot fi înlocuite rapid atunci când este necesar pentru a asigura funcționarea continuă a instalației.
Pulsul laser NIF parcurge un kilometru și durează 4,5 microsecunde de la formarea inițială a impulsului în camera principală a oscilatorului până la atingerea țintei. Diferența de timp pentru a ajunge la centrul camerei țintă este de 30 de picosecunde cu o precizie de 50 de microni.
Atingerea acestui tip de stabilitate de punctare și precizie absolută pe țintă este o provocare inginerească enormă, care necesită o stabilitate solidă a sistemului de suport optic, poziționarea și alinierea precisă a componentelor și un sistem de cronometrare computerizat riguros.
Pentru a face față acestor provocări, toate structurile care susțin oglinzile și lentilele NIF au fost proiectate având în vedere o stabilitate extremă.
Echipa de ingineri a calculat cu meticulozitate efectele posibile asupra componentelor laser, de obicei oglinzile laser, pentru toate sursele de vibrații, inclusiv pompe, motoare și transformatoare.
Through careful modeling, both vibration (>1 Hz) și deriva (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
În plus, pentru a se asigura că componentele liniei de fascicul nu au afectat spațiul laserului, echipa a folosit tehnici de măsurare de precizie, rezultând o rețea de măsurare riguroasă și o locație fizică controlată a tuturor componentelor liniei de lumină. Pozițiile tuturor carcaselor grinzilor, sistemelor de sprijin și camerelor țintă au fost precise cu un sfert de milimetru.
Aceste informații au fost apoi furnizate echipei de proiectare, care a proiectat structura atât cu suficientă rigiditate, cât și cu amortizare, astfel încât răspunsul structurii la vibrațiile solului și vibrațiile așteptate de la echipamentul de construcție să îndeplinească cerințele generale de stabilitate.
Asigurarea că toate cele 192 de fascicule laser au sosit în intervalul de 30 de picosecunde specificate a fost realizată printr-un sistem de cronometrare de precizie folosind un sistem de satelit GPS care actualizează constant ceasul intern. Software-ul și hardware-ul integrat monitorizează și actualizează constant sincronizarea pentru a menține acuratețea.
Fiecare interfață mecanică este proiectată pentru o toleranță mai mare de 300 de femtosecunde (trei trilioane de secundă), astfel încât LRU-urile pot fi modificate în orice moment pentru a menține acuratețea sincronizarii. În plus, un program strict controlat menține sincronizarea sistemului pentru fiecare LRU.
Deși, încă nu putem aplica fuziunea nucleară la generarea de energie cu acest dispozitiv.
Dar pe o scară de 60 de ani, omenirea a făcut o descoperire majoră.
Pentru viitor, s-ar putea, de asemenea, să avem mai multă imaginație.
