Prije godinu dana čovječanstvo je prvi put shvatilo neto dobitak energije reakcije nuklearne fuzije. Tijekom ove godine NIF je kontinuirano unapređivan te je uspješno realizirao još tri paljenja, oborivši nekoliko rekorda zaredom! Nedavno je glavni znanstvenik projekta izabran za jednog od 10 najboljih ljudi godine po časopisu Nature...
Prije godinu dana čovječanstvo je prvi put shvatilo neto dobitak energije reakcije nuklearne fuzije. U ovoj godini NIF je nastavio napredovati, a zatim uspješno realizirao tri paljenja, oborivši nekoliko rekorda! Tek nedavno, glavni znanstvenik projekta, ali i odabran kao jedan od Natureovih deset najboljih ljudi godine.
14. prosinca prošle godine, Nacionalni laboratorij Lawrence Livermore (LLNL) po prvi je put postigao uspjeh paljenja kontrolirane nuklearne fuzije, kako bi cijelo čovječanstvo skinulo čistu energiju "Sveti gral" -
Nakon isporuke 2,05 megadžula (MJ) energije meti, proizvedena je izlazna energija fuzije od 3,15 MJ uz energetski dobitak od oko 1,5.
30. srpnja 2023. Laboratorij je postigao svoju prvu izlaznu energiju od 3,88 MJ, najveću ikada.
Dana 30. listopada, laboratorij je postavio još jedan rekord - 2. Prvi put je postignuto 2 megajoula ulazne energije. U međuvremenu, izlazna energija od 3,4 megadžula zauzela je drugo mjesto.
Suočen s iznova uspješnim 'paljenjem', Nature je također uzbuđeno objavio članak u kojem stoji da laserska fuzija ulazi u potpuno novu eru.
Zamislivo je da će, kada se konačno realizira kontrolirana nuklearna fuzija, čovječanstvo imati mogućnost dobivanja ogromnih količina čiste energije bez ugljika po prvi put u povijesti, revolucionirajući energetski plan za budućnost.
Drugim riječima, do tada više neće biti stakleničkih plinova od izgaranja ugljena i nafte, neće više biti opasnog, dugotrajnog radioaktivnog otpada – čovječanstvo će imati pristup 'čistoj energiji' u pravom smislu te riječi.
To znači da će nestati nestašice energije koje su mučile čovječanstvo otkako smo ušli u električno doba. Čovječanstvo čak može ostvariti tehnološka otkrića bez presedana u zvjezdanoj energiji koju donosi kontrolirana nuklearna fuzija.
No, vratimo se prvo u stvarnost.
Prava poteškoća u natjeranju lasera da isporuči tako ogromne količine energije je kako zaštititi NIF-ovu dragocjenu optiku od oštećenja krhotinama.
NIF je jedini laserski sustav na svijetu koji može raditi iznad praga oštećenja, a to je djelomično zahvaljujući optičkom ciklusu oporavka razvijenom u laboratoriju.
Poboljšana optika
U lipnju 2023. NIF je dovršio dva ključna poboljšanja koja su bila ključna za postizanje 2,2 megajoula ulazne energije.
To uključuje upotrebu zaštite od krhotina fuzijskog silicijevog dioksida na dvije trećine NIF-ovih linija zraka i ugradnju metalne zaštite na 32 linije zraka donje hemisfere.
Ova poboljšanja smanjila su stopu oštećenja uzrokovanih krhotinama za faktor od 10 do 100, ovisno o liniji snopa. Optika na nižim linijama zraka primila je najviše krhotina iz ciljne komore zbog gravitacije.
Ostala poboljšanja uključuju novi antirefleksni premaz, tretman heksametildisiloksanom (HMDS) i povećanje kapaciteta ciklusa optičkog recikliranja. Kao i novi 'blokator sivih rubova' za problem koji znanstvenici tek trebaju u potpunosti definirati.
Više od običnog povećanja energije
Povećana energija sama po sebi nije dovoljna za održavanje nevjerojatnih otkrića koja je NIF napravio u znanosti -
Laserski impulsi traju samo nekoliko milijarditih dijelova sekunde, pa je za postizanje željenih rezultata potrebna iznimna preciznost.
Kako bi postigao ovaj cilj, tim je nedavno dovršio implementaciju sustava High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS).
Višegodišnji projekt, HiFiPS omogućuje preciznije i točnije oblikovanje pulsa, što zauzvrat omogućuje bolju ravnotežu snage i kontrolu simetrije u implozijama.
Osim toga, tim je obnovio optička vlakna u postrojenju kako bi bila tolerantnija na opetovano izlaganje neutronima. Ta se vlakna koriste za precizno mjerenje laserskog pulsa dostavljenog meti.
Kao izravan rezultat obnove, snaga signala povećana je za faktor od 10 do 100, a istraživači su mogli nastaviti precizno 'promatrati' rad lasera.
Međutim, još je dug put od trenutnog stanja tehnike do realizacije isporuke fuzijske energije u mrežu.
Iako NIF danas ima najveći laser na svijetu, sustav je izuzetno neučinkovit, s više od 99% energije u svakom paljenju izgubljenom prije nego što dosegne cilj.
A razvoj učinkovitijeg laserskog sustava ključni je cilj nedavno pokrenutog Programa istraživanja inercijalne fuzije DOE-a.
Odjel je nedavno objavio da će u četiri godine uložiti 42 milijuna dolara u osnivanje tri nova istraživačka centra koji će zajedno raditi na postizanju ovog i drugih znanstvenih dostignuća.
Svaki od ovih centara uključivat će nacionalne laboratorije, sveučilišne istraživače i industrijske partnere.
A jedna od središnjih figura u cijelom programu fuzije, fizičarka Annie Kritcher, također je uspjela ući među 10 najboljih znanstvenih osoba godine za Nature.
Godine 2022. Annie Kritcher postigla je cilj u National Ignition Facility (NIF) koji je desetljećima bio nedostižan u laboratorijima diljem svijeta - komprimiravši atome do takve krajnosti da su se njihove jezgre spojile i proizvele više energije nego što je potrošila sama reakcija.
Ali nakon dostizanja ove eksperimentalne prekretnice (tj. paljenja), tim je bio pod pritiskom da ponovi postignuće.
Istraživanja s visokim ulozima rijetko prolaze glatko: tim je proveo svoju prvu replikaciju u lipnju, ali rezultati su bili loši.
Srećom, treći pokušaj bio je uspješan.
Dana 30. srpnja NIF-ov 192-laser ispalio je 2,05 megajoula energije na male kuglice vodikovih izotopa deuterija i tricija zamrznute u zlatnom cilindru.
Rezultirajuća implozija uzrokovala je oslobađanje energije izotopa dok su se stapali u helij i proizveli temperature šest puta veće od Sunčeve jezgre.
U konačnici, oni su stvorili rekordnih 3,88 megajoula fuzijske energije.
Gledajući po cijelom svijetu, niti jedan laboratorij nije uspio realizirati fuzijsku reakciju koja proizvodi više energije nego što troši sve dok NIF nije postigao ovaj podvig.
Kritcher i njezin tim zatim su uspješno izveli još dva paljenja u listopadu, čime je ukupan broj porastao na četiri.
Kritcher je počela istraživati fuzijsku energiju dok je bila na ljetnoj praksi u Livermoreu 2004. Ubrzo se usmjerila na NIF - jedno od rijetkih mjesta na svijetu gdje se mogu proučavati fuzijske reakcije.
Od tada je vodila tim koji analizira eksperimentalne podatke i koristi računalne modele za dizajniranje eksperimenata - prilagođavanjem parametara kao što su veličina i konfiguracija mete te energija i vrijeme različitih laserskih zraka - kako bi se postigla i povećala učinkovitost fuzije. Nakon što njezin tim dovrši dizajn, eksperimentalni tim preuzima paljenje lasera i prikupljanje podataka.
Proces je pokazao da je Kritcher iznimna, a to ju je dovelo do toga da postane jedan od vodećih dizajnera na NIF-u 2016.
Tijekom sljedećih nekoliko godina, Kritcher i njezin tim su kružili brojevima i dotjerivali dizajn glavnog eksperimentalnog programa NIF-a. Dok je vršio razne promjene na meti, tim je također koristio različita poboljšanja za povećanje ukupne energije lasera. Rezultat je da se nuklearna fuzija ostvaruje, sve češće.
S uspjehom 'Ignitiona', Kritcher je započeo novu seriju eksperimenata - ponovno povećavajući prinos isporukom više laserske energije debljoj ciljnoj kapsuli.
A ovo predstavlja još jedan korak prema postizanju desetaka teradžula ili čak viših prinosa na NIF-u.
Kontrolirana fuzija, sveti gral čiste energije
Jednostavno rečeno, nuklearna fuzija je proces u kojem se dvije lake atomske jezgre spajaju u težu jezgru i oslobađaju ogromnu količinu energije.
Dva atoma vodika sudaraju se i polimeriziraju da bi formirali atom helija, koji ima nešto manju masu od izvornog atoma vodika. Prema Einsteinovoj legendarnoj E=mc² jednadžbi masa-energija, ta se razlika u masama pretvara u nalet energije.
Svake sekunde u jezgri sunca dolazi do fuzije 620 milijuna tona vodika. Proizvedena energija je izvor svega života na Zemlji.
Ali jedan od velikih izazova u korištenju nuklearne fuzije je kako povećati energiju oslobođenu reakcijom fuzije od unesene energije i učiniti proces održivim.
NIF princip paljenja
U 1960-ima, skupina pionirskih znanstvenika u LLNL-u pretpostavila je da se laseri mogu koristiti za induciranje nuklearne fuzije u laboratorijskom okruženju.
Ova se revolucionarna ideja zatim razvila u inercijsku zatvorenu fuziju pod vodstvom fizičara Johna Nuckolsa.
Kako bi realizirao ovaj koncept, LLNL je izgradio niz sve snažnijih laserskih sustava, koji su kulminirali najvećim i najenergičnijim NIF-om na svijetu.
U eksperimentu su laseri oponašali uvjete u središtu Sunca spajanjem teških izotopa vodika, deuterija i tricija, u helij.
Najprije je nekoliko kuglica vodika stavljeno u uređaj veličine zrna papra, a zatim je snažna 192-laserska zraka korištena za zagrijavanje i komprimiranje vodikovog goriva.
Laseri, nakon ulaska u torus, udaraju u unutarnje stijenke i uzrokuju emitiranje X-zraka, koje ga zatim mogu zagrijati do 100 milijuna stupnjeva Celzijusa - toplije od središta sunca - i komprimirati ga više od 100 milijardi puta atmosferski pritisak Zemlje.
Visokoenergetski laseri plazmatizirali bi površinu mrlje, a ostatak središnjeg materijala, vođen Newtonovim trećim zakonom, na kraju bi kolabirao prema središtu i implodirao.
U trenutku implozije, može doći do lančane reakcije - ili "zapaljenja" - ako se odgovarajuća količina topline i pritiska primijeni na kuglicu goriva, koja tada oslobađa veliku količinu energije.
Inženjerska čuda
National Ignition Facility (NIF), koji omogućuje sve gore navedeno, također je izvanredno postignuće u inženjerstvu i tehnologiji.
Znanstvenici za materijale i laserski fizičari radili su s inženjerima na dizajnu objekta koji sadrži 7500 velikih optika, 26000 malih optika i više od 66000 kontrolnih točaka.
Ova optika i druge komponente sadržane su u približno 6200 složenih modularnih jedinica koje se nazivaju Line Replaceable Units (LRU). Po potrebi se mogu brzo zamijeniti kako bi se osigurao kontinuirani rad objekta.
NIF laserski puls putuje jedan kilometar i potrebno mu je 4,5 mikrosekundi od početnog formiranja pulsa u komori glavnog oscilatora do postizanja cilja. Vremenska razlika do središta ciljne komore je 30 pikosekundi s točnošću od 50 mikrona.
Postizanje ove vrste stabilnosti navođenja i apsolutne točnosti na meti ogroman je inženjerski izazov, koji zahtijeva čvrstu stabilnost optičkog potpornog sustava, precizno pozicioniranje i poravnanje komponenti i rigorozno točan računalni sustav mjerenja vremena.
Kako bi odgovorili na te izazove, sve strukture koje podupiru NIF zrcala i leće dizajnirane su imajući na umu iznimnu stabilnost.
Inženjerski tim pomno je izračunao moguće učinke na laserske komponente, obično laserska zrcala, za sve izvore vibracija uključujući pumpe, motore i transformatore.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) i drift (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Osim toga, kako bi osigurali da komponente linije snopa ne utječu na visinu lasera, tim je koristio tehnike preciznog mjerenja, što je rezultiralo rigoroznom mjernom mrežom i kontroliranim fizičkim položajem svih komponenti snopa. Položaji svih kućišta grede, potpornih sustava i ciljnih komora bili su točni do četvrtine milimetra.
Te su informacije zatim dostavljene projektantskom timu, koji je projektirao konstrukciju s dovoljnom krutošću i prigušenjem tako da odgovor konstrukcije na vibracije tla i očekivane vibracije od građevinske opreme zadovoljava sveukupne zahtjeve stabilnosti.
Osiguravanje da sve 192 laserske zrake stignu unutar specificiranih 30 pikosekundi postignuto je preciznim sustavom mjerenja vremena pomoću GPS satelitskog sustava koji stalno ažurira interni sat. Integrirani softver i hardver stalno prate i ažuriraju vrijeme kako bi održali točnost.
Svako mehaničko sučelje dizajnirano je za toleranciju bolju od 300 femtosekundi (tri bilijuntinke sekunde), tako da se LRU-ovi mogu promijeniti u bilo kojem trenutku kako bi se održala točnost mjerenja vremena. Osim toga, strogo kontrolirani program održava sistemsko vrijeme za svaki LRU.
Iako s ovim uređajem još ne možemo primijeniti nuklearnu fuziju za proizvodnju energije.
Ali na ljestvici od 60 godina, čovječanstvo je napravilo veliki napredak.
U budućnosti bismo također mogli imati više mašte.
