Već 75 godina bio je san reproducirati fuziju sličnu solarnoj na Zemlji. Timovi znanstvenika i inženjera diljem svijeta potrošili su desetke milijardi dolara na različite metode fuzije, ali su se dugo borili da dosegnu prekretnicu "neto energetskog dobitka".
Međutim, do prije godinu dana sve se promijenilo.
Dana 5. prosinca 2022., u National Ignition Facility (NIF) u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore (LLNL), najveći svjetski laser s najvećom energijom ispalio je 192 laserske zrake i usmjerio ih na metu veličine zrna papra, stvarajući sićušno "sunce " na zemlji. Nakon ispaljivanja 2,05 megajoula laserske energije na metu, eksperiment je proizveo više fuzijske energije nego što je potrebno za paljenje fuzijskog goriva generiranjem 3,15 megajoula izlazne energije - što je veliki znanstveni napredak u desetljećima.
Ponovno probijanje granice laserske energije
Na sreću, National Ignition Facility (NIF) u Nacionalnom laboratoriju Lawrence Livermore (LLNL) u Sjedinjenim Državama nedavno je postavio još jedan novi rekord u laserskoj energiji - emitirajući 2,2 megajoula (MJ) po prvi put na meti za paljenje.
Novoprijavljeni eksperiment, proveden 30. listopada, proizveo je 3,4 MJ fuzijske energije, postigao paljenje i proizveo drugi najveći prinos neutrona ikada na NIF-u.
Gordon Brunton, direktor National Ignition Facility (NIF), rekao je: "Ova rekordna razina laserske energije nevjerojatno je postignuće za čije su postizanje bile potrebne godine napornog rada. I označava našu četvrtu uspješnu demonstraciju fuzijskog paljenja na NIF-u. Ovaj rad temeljna je za misiju Laboratorija, s novim mogućnostima koje mogu podržati Program upravljanja zalihama Nacionalne uprave za nuklearnu sigurnost i nadamo se da će nas približiti budućnosti fuzijske energije."
Dana 5. prosinca 2022. LLNL je po prvi put postigao fuziono paljenje. Drugi put je bilo 30. srpnja 2023., kada je laser NIF isporučio 2,05 megajoula energije meti u eksperimentu kontrolirane fuzije, proizvodeći izlaznu energiju fuzije od 3,88 megajoula, najveći energetski dobitak postignut do danas. Treći put kada je NIF laser postigao je fuziono paljenje 8. listopada 2023., uz energiju lasera od 1,9 MJ i izlaznu energiju fuzije od 2,4 MJ.
Ključni napredak u nuklearnoj fuziji
"Nalazimo se na strmoj krivulji rasta performansi", rekao je Jean-Michel Di Nicola, direktor zajedničkog projekta NIF-a i Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organisation, "Povećanje laserske energije daje nam više prostora za rješavanje problema kao što je gorivo defekti kapsule ili asimetrije žarišnih točaka goriva. Veće energije lasera pomažu u postizanju stabilnijih implozija, što zauzvrat dovodi do većih energetskih prinosa."
Nema sumnje u sposobnost lasera da isporuči toliko energije. Izazov je zaštititi NIF-ovu dragocjenu optiku od oštećenja krhotinama, kaže Bruno Van Wonterghem, voditelj operacija u NIF-u: "Sam laser je sposoban generirati više energije bez temeljnih promjena na laseru. Sve to činimo kako bismo maksimalno povećali kontrolu štete. Uostalom, ako ima previše energije bez odgovarajuće zaštite, vaša se optika može raznijeti u komadiće."
NIF upravlja jedinim laserskim sustavom na svijetu koji radi iznad praga oštećenja, što je dijelom moguće zahvaljujući onome što je poznato kao Optical Recycling Loop.
Jači laseri, bolje performanse
Dvije glavne mjere ublažavanja, dovršene u lipnju 2023., bile su presudne za isporuku 2,2 MJ laserske energije meti - upotreba zaštite od krhotina od fuzijskog silicijevog dioksida na dvije trećine NIF-ovih linija snopa i ugradnja metalne zaštite na 32 linije snopa niže hemisfere , koji je, ovisno o liniji snopa, smanjio stopu oštećenja izazvanih krhotinama za faktor od 10-100. Ove optike niže linije zraka primaju najviše krhotina iz ciljne komore zbog gravitacije.
Ostala poboljšanja uključuju nove anti-refleksne premaze, tretman heksametildiazepanom (HMDS) i povećani kapacitet petlje za optičku obnovu. Novo sredstvo za ublažavanje - blokator sivih rubova - rješava problem koji znanstvenici još nisu identificirali.
"Postoji podskup zraka koji nemaju tako dobre performanse kao drugi", kaže Di Nicola, "i otkrili smo da ako radikalno smanjimo gustoću laserske energije bacanjem sjene na jedan rub linije snopa, te linije snopa imaju bolje rezultate . Još uvijek nismo sasvim sigurni koji je glavni uzrok problema, ali ćemo to aktivno istraživati u budućnosti."
Rješavanje misterija prirodno je palo znanstvenicima i inženjerima koji rade na najenergičnijem laserskom sustavu na svijetu, NIF-u, a glavni predstavnik OMST-a Tayyab Suratwala rekao je: "Pomno smo ispitali oštećenje lasera i utvrdili da su mjere ublažavanja modelirane i testirane. Međutim, svaki kad povećamo lasersku energiju, ulazimo u područje bez presedana i otkrivamo nove mehanizme oštećenja."
Samo više energije nije dovoljno da se održi nevjerojatan rekord znanstvenih otkrića Nacionalnog instituta za znanost. Di Nicola: "Tim većim čekićem trebate zamahnuti s kontrolom i vještinom. Laserski puls traje samo milijardu sekunde, pa trebate budi vrlo precizan kako bi sve bilo kako treba."
U tu svrhu, tim je nedavno dovršio implementaciju High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS) sustava, koji omogućuje preciznije i točnije oblikovanje pulsa. HiFiPS je projekt na kojem se godinama radi i koji omogućuje bolju ravnotežu snage i simetričnu kontrolu u implozijama.
U drugom poboljšanju, tim je obnovio optička vlakna uređaja kako bi bila otpornija na ponovljeno izlaganje neutronima. Ta se vlakna koriste za precizno mjerenje laserskih impulsa koji se prenose na cilj. Obnova je povećala snagu signala za faktor 10-100, što je omogućilo istraživačima da nastave "vidjeti" performanse lasera.
Koje su nade za budućnost?
Trenutno je laser isporučio 2,2 megajoula laserske energije. Tim se vratio u fazu istraživanja i proveo isti proces nakon prvog eksperimenta koji je proizveo fuzijsku paljenje.
Promatramo optiku, procjenjujemo štetu i shvaćamo koliko često možemo koristiti ovu novu sposobnost," rekao je Suratwala. U međuvremenu, slavimo ovo veliko postignuće. To je rezultat godina napornog rada velikog tim unutar LLNL-a i mnogi vanjski partneri."
