Durant 75 anys, ha estat un somni reproduir la fusió semblant al solar a la Terra. Equips de científics i enginyers de tot el món han gastat desenes de milers de milions de dòlars en diversos mètodes de fusió, però fa temps que han lluitat per assolir la fita del "guany d'energia net".
Fins fa un any, però, tot va canviar.
El 5 de desembre de 2022, a la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), el làser més gran i d'energia més gran del món va disparar 192 raigs làser i els va apuntar cap a un objectiu de la mida d'un gra de pebre, creant un petit "sol". " a la terra. Després de disparar 2,05 megajoules d'energia làser a l'objectiu, l'experiment va produir més energia de fusió de la que es necessita per encendre el combustible de fusió generant 3,15 megajoules d'energia, un gran avenç científic en dècades.
Tornant a trencar el límit d'energia del làser
Afortunadament, la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) als Estats Units va establir recentment un altre nou rècord d'energia làser: emetent 2,2 megajoules (MJ) per primera vegada en un objectiu d'ignició.
L'experiment recentment informat, dut a terme el 30 d'octubre, va produir 3,4 MJ d'energia de fusió, va aconseguir la ignició i va produir el segon rendiment de neutrons més alt mai a NIF.
Gordon Brunton, director de la National Ignition Facility (NIF), va dir: "Aquest nivell rècord d'energia làser és un assoliment increïble que ha costat anys de treball dur per aconseguir-ho. I marca la nostra quarta demostració d'èxit d'encesa per fusió a NIF. Aquest treball. és fonamental per a la missió del laboratori, amb noves capacitats que poden donar suport al programa de gestió d'estocs de l'Administració Nacional de Seguretat Nuclear i esperem que ens apropin al futur de l'energia de fusió".
El 5 de desembre de 2022, LLNL va aconseguir l'encesa per fusió per primera vegada. La segona vegada va ser el 30 de juliol de 2023, quan el làser NIF va lliurar 2,05 megajoules d'energia a l'objectiu en un experiment de fusió controlada, produint una sortida d'energia de fusió de 3,88 megajoules, el guany d'energia més alt aconseguit fins ara. La tercera vegada que el L'encesa de fusió amb làser NIF va ser el 8 d'octubre de 2023, amb una energia làser d'1,9 MJ i una sortida d'energia de fusió de 2,4 MJ.
Avenços clau en la fusió nuclear
"Estem en una corba de creixement del rendiment pronunciada", va dir Jean-Michel Di Nicola, director del projecte conjunt de la NIF i Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization, "augmentar l'energia làser ens dóna més marge per abordar qüestions com el combustible. defectes de la càpsula o asimetries de punts calents de combustible. Les energies làser més altes ajuden a aconseguir implosions més estables, que al seu torn condueixen a rendiments energètics més elevats".
No hi ha dubte sobre la capacitat del làser per lliurar tanta energia. I el repte és protegir la preciosa òptica de NIF dels danys de deixalles, diu Bruno Van Wonterghem, director d'operacions de NIF: "El làser en si és capaç de generar energies més altes sense fer canvis fonamentals al làser. Tot això ho fem per maximitzar el control dels danys. Al cap i a la fi, si hi ha massa energia sense una protecció adequada, la vostra òptica es pot trencar".
NIF gestiona l'únic sistema làser del món que funciona per sobre del llindar de dany, una gesta possible en part pel que es coneix com a bucle de reciclatge òptic.
Làsers més forts, millor rendiment
Dues mesures de mitigació principals, completades el juny de 2023, van ser crítiques per lliurar 2,2 MJ d'energia làser a l'objectiu: l'ús de blindatge de residus de sílice fosa en dos terços de les línies de llum del NIF i la instal·lació de blindatge metàl·lic en 32 línies de llum de l'hemisferi inferior. , que, depenent de la línia de llum, ha reduït la taxa de danys induïts per runes en un factor de reduït en un factor de 10-100. Aquestes òptiques de línia de llum inferior reben la majoria de residus de la cambra objectiu a causa de la gravetat.
Altres millores inclouen nous recobriments antireflectants, tractament amb vapor d'hexametildiazepan (HMDS) i augment de la capacitat del bucle de recuperació òptica. Un nou agent mitigador, un bloquejador de vora gris, resol un problema que els científics encara no havien identificat.
"Hi ha un subconjunt de feixos que no funcionen tan bé com els altres", diu Di Nicola, "i vam trobar que si reduïm radicalment la densitat d'energia del làser projectant una ombra en una vora de la línia de llum, aquestes línies de llum funcionen millor. . Encara no estem segurs de quina és la causa principal del problema, però ho investigarem activament en el futur".
La resolució del misteri va ser natural per als científics i enginyers que treballaven en el sistema làser més energètic del món, el NIF, i el representant en cap de l'OMST, Tayyab Suratwala, va dir: "Hem analitzat el dany del làser i hem identificat que les mesures de mitigació es van modelar i provar. Tanmateix, cadascun Quan augmentem l'energia làser, entrem en un territori sense precedents i revelem nous mecanismes de dany".
Més energia per si sola no és suficient per mantenir l'increïble rècord d'avenços científics de l'Institut Nacional de Ciències. Di Nicola: "Cal fer moure el martell més gran amb control i habilitat. El pols làser dura només una mil milions de segon, així que cal sigueu molt precís per fer-ho bé".
Amb aquesta finalitat, l'equip ha completat recentment el desplegament del sistema High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS), que permet un modelatge de pols més precís i precís. HiFiPS és un projecte que fa anys que permet un millor equilibri de potència i un control simètric en les implosions.
En una altra millora, l'equip va renovar les fibres òptiques del dispositiu per fer-les més resistents a l'exposició repetida de neutrons. Aquestes fibres s'utilitzen per mesurar amb precisió els polsos làser transmesos a l'objectiu. La renovació va augmentar la força del senyal en un factor de 10-100, cosa que va permetre als investigadors continuar "veient" el rendiment del làser.
Quines són les esperances de futur?
Actualment, el làser ha lliurat 2,2 megajoules d'energia làser. L'equip va tornar a l'etapa d'investigació i va dur a terme el mateix procés després del primer experiment que va produir la ignició per fusió.
Estem mirant l'òptica, avaluant el dany i entenent amb quina freqüència podem utilitzar aquesta nova capacitat", va dir Suratwala. Mentrestant, estem celebrant aquest gran assoliment. És el resultat d'anys de dur treball d'una gran equip dins de LLNL i molts socis externs".
