Fa un any, la humanitat es va adonar del guany net d'energia de la reacció de fusió nuclear per primera vegada. Durant aquest any, NIF s'ha millorat contínuament i ha realitzat amb èxit tres encesos més, batent diversos rècords seguits! Recentment, el científic principal del projecte va ser seleccionat com una de les 10 millors persones de l'any de la natura...
Fa un any, la humanitat es va adonar del guany net d'energia de la reacció de fusió nuclear per primera vegada. En aquest any, NIF va continuar millorant i després va realitzar amb èxit tres encesos, batent diversos rècords! Fa poc, el científic en cap del projecte, però també seleccionat com una de les deu millors persones de l'any de Nature.
El 14 de desembre de l'any passat, el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) va aconseguir per primera vegada l'èxit controlat de la ignició de la fusió nuclear, perquè tota la humanitat tregués l'energia neta "Holy Grail" -
Després de lliurar 2,05 megajoules (MJ) d'energia a l'objectiu, es va produir una sortida d'energia de fusió de 3,15 MJ amb un guany d'energia d'uns 1,5.
El 30 de juliol de 2023, el Laboratori va assolir la seva primera energia de sortida de 3,88 MJ, la més alta mai.
El 30 d'octubre, el laboratori va establir un altre rècord de - 2, 2 megajoules d'energia d'entrada es va aconseguir per primera vegada. Mentrestant, l'energia de sortida de 3,4 megajoules va ocupar el segon lloc.
Davant de l'"encesa" reeixida una i altra vegada, Nature també va publicar emocionada un article que deia: la fusió làser està a punt d'entrar en una nova era.
És concebible que quan finalment es realitzi la fusió nuclear controlada, la humanitat tindrà la possibilitat d'obtenir quantitats massives d'energia neta sense carboni per primera vegada a la història, revolucionant el full de ruta energètic per al futur.
En altres paraules, en aquest moment, ja no hi haurà més gasos d'efecte hivernacle de la combustió de carbó i petroli, no hi haurà més residus radioactius perillosos i de llarga vida: la humanitat tindrà accés a "energia neta" en el veritable sentit de la paraula.
Això vol dir que desapareixerà l'escassetat d'energia que ha afectat la humanitat des que vam entrar a l'era elèctrica. La humanitat pot fins i tot aconseguir avenços tecnològics sense precedents en l'energia estel·lar aportada per la fusió nuclear controlada.
Però primer tornem a la realitat.
La veritable dificultat per aconseguir que el làser proporcioni quantitats tan grans d'energia és com protegir les precioses òptiques del NIF dels danys causats pels residus.
NIF és l'únic sistema làser del món que pot funcionar per sobre del llindar de dany, i això es deu en part al cicle de recuperació òptica desenvolupat al laboratori.
Òptica millorada
El juny de 2023, NIF va completar dues millores clau que van ser crítiques per assolir els 2,2 megajoules d'energia d'entrada.
Aquests inclouen l'ús de blindatge de residus de sílice fosa en dos terços de les línies de llum de NIF i la instal·lació de blindatge metàl·lic en 32 línies de llum de l'hemisferi inferior.
Aquestes millores van reduir la taxa de danys causats pels residus en un factor de 10 a 100, depenent de la línia de llum. L'òptica de les línies de llum inferiors va rebre la majoria de residus de la cambra objectiu a causa de la gravetat.
Altres millores inclouen un nou recobriment antireflectant, tractament amb hexametildisiloxà de vapor (HMDS) i un augment de la capacitat del cicle de reciclatge òptic. Així com un nou "bloquejador de vora gris" per a un problema que els científics encara no han definit completament.
Més que un augment d'energia
L'augment d'energia per si sol no és suficient per mantenir els sorprenents avenços que NIF ha fet en la ciència: el
Els polsos làser duren només unes mil·milionèsimes de segon, de manera que es requereix una precisió extrema per aconseguir els resultats desitjats.
Per aconseguir aquest objectiu, l'equip ha completat recentment el desplegament d'un sistema de modelatge de polsos d'alta fidelitat (HiFiPS).
HiFiPS, un projecte de diversos anys, permet una configuració de pols més precisa i precisa, que al seu torn permet un millor equilibri de potència i control de simetria en implosions.
A més, l'equip va renovar les fibres òptiques de la instal·lació per fer-les més tolerants a l'exposició repetida de neutrons. Aquestes fibres s'utilitzen per mesurar amb precisió el pols làser lliurat a l'objectiu.
Com a resultat directe de la renovació, la força del senyal es va incrementar en un factor de 10 a 100 i els investigadors van poder continuar "observant" amb precisió el rendiment del làser.
No obstant això, encara queda un llarg camí per recórrer des de l'estat actual de l'art fins a aconseguir el lliurament d'energia de fusió a la xarxa.
Tot i que NIF té el làser més gran del món actual, el sistema és extremadament ineficient, amb més del 99% de l'energia en cada ignició perduda abans d'arribar al seu objectiu.
I el desenvolupament d'un sistema làser més eficient és un objectiu clau del programa de recerca de fusió inercial que acaba de llançar DOE.
El departament va anunciar recentment que invertirà 42 milions de dòlars durant quatre anys per establir tres nous centres de recerca per treballar junts per aconseguir aquest i altres avenços científics.
Cadascun d'aquests centres inclourà laboratoris nacionals, investigadors universitaris i socis de la indústria.
I una de les figures centrals de tot el programa de fusió, la física Annie Kritcher, també ha aconseguit convertir-se en les 10 persones més populars de la ciència de l'any de Nature.
El 2022, Annie Kritcher va assolir un objectiu a la National Ignition Facility (NIF) que durant dècades havia estat esquiva als laboratoris de tot el món, comprimint els àtoms fins a tal extrem que els seus nuclis es van fusionar i van produir més energia de la que consumia la pròpia reacció.
Però després d'assolir aquesta fita experimental (és a dir, l'encesa), l'equip estava sota pressió per repetir l'assoliment.
La investigació de gran risc rarament va bé: l'equip va realitzar la seva primera rèplica al juny, però els resultats van ser pobres.
Afortunadament, el tercer intent va ser un èxit.
El 30 de juliol, el làser 192-de raig de NIF va disparar 2,05 megajoules d'energia a petites esferes dels isòtops d'hidrogen deuteri i triti suspesos congelats en un cilindre d'or.
La implosió resultant va fer que els isòtops alliberessin energia mentre es fusionaven en heli i produïen temperatures sis vegades superiors a les del nucli del Sol.
Finalment, aquests van crear un rècord de 3,88 megajoules d'energia de fusió.
Mirant arreu del món, cap laboratori havia estat capaç de realitzar una reacció de fusió que produeixi més energia de la que consumeix fins que NIF va aconseguir aquesta proesa.
Kritcher i el seu equip van realitzar dos encesos més amb èxit a l'octubre, amb un total de quatre.
Kritcher va començar a investigar l'energia de fusió quan estava en pràctiques d'estiu a Livermore el 2004. Aviat va posar la mirada en NIF, un dels pocs llocs del món on es poden estudiar les reaccions de fusió.
Des d'aleshores, ha dirigit un equip que analitza dades experimentals i utilitza models informàtics per dissenyar experiments, ajustant paràmetres com la mida i la configuració de l'objectiu i l'energia i el temps dels diferents raigs làser, per aconseguir i augmentar els rendiments de fusió. Un cop el seu equip completa el disseny, l'equip experimental s'encarrega de disparar els làsers i recollir dades.
El procés ha demostrat que Kritcher és excepcional i això la va portar a convertir-se en una de les dissenyadores principals de NIF el 2016.
Durant els propers anys, Kritcher i el seu equip han estat analitzant i ajustant el disseny del programa experimental principal de NIF. Mentre feia diversos canvis a l'objectiu, l'equip també va utilitzar diverses millores per augmentar l'energia global del làser. El resultat és que la fusió nuclear s'està realitzant, cada cop amb més freqüència.
Amb l'èxit de 'Ignition', Kritcher va començar una nova sèrie d'experiments: augmentant de nou el rendiment lliurant més energia làser a una càpsula objectiu més gruixuda.
I això representa un pas més cap a aconseguir desenes de terajoules o fins i tot rendiments més elevats a NIF.
Controlled Fusion, el Sant Grial de l'Energia Neta
En poques paraules, la fusió nuclear és el procés pel qual dos nuclis atòmics lleugers es combinen per formar un nucli més pesat i alliberar una gran quantitat d'energia.
Dos àtoms d'hidrogen xoquen i es polimeritzen per formar un àtom d'heli, que té una massa una mica més petita que l'àtom d'hidrogen original. Segons la emblemàtica equació massa-energia d'E=mc² d'Einstein, aquesta diferència de massa es converteix en una explosió d'energia.
Al nucli del sol, es produeix la fusió de 620 milions de tones d'hidrogen cada segon. L'energia produïda és la font de tota la vida a la Terra.
Però un dels grans reptes a l'hora d'utilitzar la fusió nuclear és com fer que l'energia alliberada de la reacció de fusió sigui més gran que l'entrada d'energia i fer que el procés sigui sostenible.
El principi d'encesa NIF
A la dècada de 1960, un grup de científics pioners de LLNL va plantejar la hipòtesi que els làsers es podrien utilitzar per induir la fusió nuclear en un entorn de laboratori.
Aquesta idea revolucionària va evolucionar després cap a la fusió de confinament inercial sota el lideratge del físic John Nuckolls.
Per fer realitat aquest concepte, LLNL va construir una sèrie de sistemes làser cada cop més potents, que van culminar amb el NIF més gran i energètic del món.
A l'experiment, els làsers van imitar les condicions al centre del Sol fusionant isòtops d'hidrogen pesats, deuteri i triti, en heli.
Primer, es van col·locar una sèrie de pastilles d'hidrogen en un dispositiu de la mida d'un gra de pebre i després es va utilitzar un potent 192-raig làser per escalfar i comprimir el combustible d'hidrogen.
Els làsers, en entrar al torus, xoquen contra les parets interiors i fan que emetin raigs X, que després poden escalfar-lo fins a 100 milions de graus centígrads -més calent que el centre del sol- i comprimir-lo a més de 100.000 milions de vegades. la pressió atmosfèrica de la Terra.
Els làsers d'alta energia plasmarien la superfície de la gota i la resta del material central, impulsat per la tercera llei de Newton, acabaria col·lapsant cap al centre i implosionant.
En el moment de la implosió, es pot produir una reacció en cadena -o "ignició"- si s'aplica la quantitat adequada de calor i pressió al pellet de combustible, que després allibera una gran quantitat d'energia.
Meravelles de l'enginyeria
La National Ignition Facility (NIF), que fa possible tot l'anterior, també és un èxit notable en enginyeria i tecnologia.
Els científics de materials i els físics làser van treballar amb enginyers per dissenyar una instal·lació que contenia 7.500 òptiques grans, 26 òptiques000 petites i més de 66000 punts de control.
Aquestes òptiques i altres components estan continguts en aproximadament 6.200 unitats modulars complexes anomenades Line Replaceable Units (LRU). Es poden substituir ràpidament quan sigui necessari per garantir el funcionament continu de la instal·lació.
El pols làser NIF recorre un quilòmetre i triga 4,5 microsegons des de la formació inicial del pols a la cambra de l'oscil·lador principal fins a arribar a l'objectiu. La diferència de temps per arribar al centre de la cambra objectiu és de 30 picosegons amb una precisió de 50 micres.
Aconseguir aquest tipus d'estabilitat d'apuntament i precisió absoluta a l'objectiu és un enorme repte d'enginyeria, que requereix una estabilitat sòlida com una roca del sistema de suport òptic, un posicionament i alineació precís dels components i un sistema de cronometratge informatitzat rigorosament precís.
Per fer front a aquests reptes, totes les estructures que suporten els miralls i les lents NIF es van dissenyar tenint en compte una estabilitat extrema.
L'equip d'enginyeria va calcular meticulosament els possibles efectes sobre els components làser, normalment els miralls làser, per a totes les fonts de vibració, incloses les bombes, els motors i els transformadors.
Through careful modeling, both vibration (>1 Hz) i deriva (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
A més, per assegurar-se que els components de la línia de llum no afectessin l'espai del làser, l'equip va utilitzar tècniques de mesura de precisió, donant lloc a una xarxa de mesura rigorosa i a la ubicació física controlada de tots els components de la línia de llum. Les posicions de totes les carcasses del feix, els sistemes de suport i les cambres objectiu eren precises d'un quart de mil·límetre.
Després, aquesta informació es va proporcionar a l'equip de disseny, que va dissenyar l'estructura amb una rigidesa i una amortiment suficients perquè la resposta de l'estructura a la vibració del sòl i la vibració esperada de l'equip de construcció complissin els requisits generals d'estabilitat.
Garantir que els 192 raigs làser arribessin dins dels 30 picosegons especificats es va aconseguir mitjançant un sistema de cronometratge de precisió mitjançant un sistema de satèl·lit GPS que actualitza constantment el rellotge intern. El programari i el maquinari integrats controlen i actualitzen constantment el temps per mantenir la precisió.
Cada interfície mecànica està dissenyada per a una tolerància superior a 300 femtosegons (tres bilions de segon), de manera que les LRU es poden canviar en qualsevol moment per mantenir la precisió del temps. A més, un programa estretament controlat manté el temps del sistema per a cada LRU.
Tot i que, encara no podem aplicar la fusió nuclear a la generació d'energia amb aquest dispositiu.
Però a una escala de 60 anys, la humanitat ha fet un gran avenç.
Per al futur, també podrem tenir més imaginació.
