В продължение на 75 години беше мечта да се възпроизведе синтез, подобен на слънчевия, на Земята. Екипи от учени и инженери по целия свят са похарчили десетки милиарди долари за различни методи на термоядрен синтез, но отдавна се борят да достигнат крайъгълния камък на „нетната печалба на енергия“.
До преди година обаче всичко се промени.
На 5 декември 2022 г. в Националното съоръжение за запалване (NIF) в Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL) най-големият и високоенергиен лазер в света изстреля 192 лазерни лъча и ги насочи към мишена с размер на зърно черен пипер, създавайки малко „слънце " на земята. След изстрелване на 2,05 мегаджаула лазерна енергия към целта, експериментът произведе повече термоядрена енергия, отколкото е необходима за запалване на термоядрено гориво чрез генериране на 3,15 мегаджаула енергия - голям научен пробив от десетилетия.
Отново нарушаване на лимита на лазерната енергия
За щастие, Националното съоръжение за запалване (NIF) в Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL) в Съединените щати наскоро постави нов рекорд за лазерна енергия - излъчва 2,2 мегаджаула (MJ) за първи път върху мишена за запалване.
Наскоро докладваният експеримент, проведен на 30 октомври, произведе 3,4 MJ термоядрена енергия, постигна запалване и произведе втория най-висок добив на неутрони в NIF.
Гордън Брънтън, директор на National Ignition Facility (NIF), каза: „Това рекордно ниво на лазерна енергия е невероятно постижение, чието постигане отне години упорита работа. И бележи нашата четвърта успешна демонстрация на запалване чрез термоядрен синтез в NIF. Тази работа е от основно значение за мисията на лабораторията, с нови способности, които могат да подкрепят Програмата за управление на запасите на Националната администрация за ядрена сигурност и да се надяваме да ни доближат до бъдещето на термоядрената енергия.
На 5 декември 2022 г. LLNL постигна за първи път термоядрено запалване. Вторият път беше на 30 юли 2023 г., когато лазерът NIF достави 2,05 мегаджаула енергия към целта в експеримент с контролиран термоядрен синтез, произвеждайки изходна енергия от термоядрения синтез от 3,88 мегаджаула, най-високото енергийно усилване, постигнато до момента. Третият път, когато Лазерът NIF постигна термоядрено запалване на 8 октомври 2023 г. с лазерна енергия от 1,9 MJ и мощност на термоядрена енергия от 2,4 MJ.
Ключови постижения в ядрения синтез
„Ние сме на стръмна крива на растеж на производителността“, каза Жан-Мишел Ди Никола, съвместен директор на проекта на NIF и Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organisation, „Увеличаването на лазерната енергия ни дава повече свобода за решаване на проблеми като горивото дефекти на капсулата или асиметрии на горивните точки. По-високите лазерни енергии помагат за постигане на по-стабилни имплозии, което от своя страна води до по-високи енергийни добиви.
Няма съмнение относно способността на лазера да достави толкова много енергия. И предизвикателството е да защитим скъпоценната оптика на NIF от щети от отломки, казва Бруно Ван Вонтергхем, оперативен мениджър в NIF: „Самият лазер е способен да генерира по-високи енергии, без да прави фундаментални промени в лазера. Правим всичко това, за да увеличим максимално контрола на щетите. В края на краищата, ако има твърде много енергия без подходяща защита, оптиката ви може да бъде разбита на парчета."
NIF управлява единствената лазерна система в света, която работи над прага на повреда, подвиг, станал възможен отчасти благодарение на това, което е известно като оптична верига за рециклиране.
По-силни лазери, по-добра производителност
Две основни смекчаващи мерки, завършени през юни 2023 г., бяха от решаващо значение за доставянето на 2,2 MJ лазерна енергия до целта - използването на екранировка от разтопен силициев диоксид на две трети от лъчевите линии на NIF и инсталирането на метална екранировка на 32 лъчеви линии в долното полукълбо , което, в зависимост от линията на лъча, е намалило степента на увреждане, причинено от отломки, с коефициент намален с коефициент 10-100. Тази оптика с по-ниска линия на лъча получава най-много отломки от целевата камера поради гравитацията.
Други подобрения включват нови антирефлексни покрития, обработка с пара хексаметилдиазепан (HMDS) и увеличен капацитет на контура за оптично възстановяване. Нов смекчаващ агент - блокер на сивия ръб - решава проблем, който учените все още не са идентифицирали.
„Има подмножество от лъчи, които не се представят толкова добре, колкото други“, казва Ди Никола, „и ние открихме, че ако радикално намалим плътността на лазерната енергия чрез хвърляне на сянка върху единия край на линията на лъча, тези линии на лъчи се представят по-добре . Все още не сме съвсем сигурни каква е основната причина за проблема, но ще проучваме активно това в бъдеще."
Разрешаването на мистерията дойде естествено за учените и инженерите, работещи върху най-енергийната лазерна система в света, NIF, и главният представител на OMST Tayyab Suratwala каза: „Проверихме внимателно щетите от лазера и идентифицирахме, че мерките за смекчаване са моделирани и тествани. Въпреки това всяка когато увеличим лазерната енергия, навлизаме в безпрецедентна територия и разкриваме нови механизми на увреждане."
Само повече енергия не е достатъчна, за да поддържа невероятния рекорд на научните открития на Националния институт за наука. Ди Никола: „Трябва да замахнете този по-голям чук с контрол и умения. Лазерният импулс трае само една милиардна от секундата, така че трябва да бъдете много прецизни, за да го направите точно."
За тази цел екипът наскоро завърши внедряването на системата High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS), която позволява по-прецизно и точно оформяне на импулса. HiFiPS е проект, който се разработва от години и позволява по-добър баланс на мощността и симетричен контрол при имплозии.
В друго подобрение екипът обнови оптичните влакна на устройството, за да ги направи по-устойчиви на повтарящо се излагане на неутрони. Тези влакна се използват за точно измерване на лазерните импулси, предавани към целта. Обновяването увеличи силата на сигнала с фактор 10-100, позволявайки на изследователите да продължат да „виждат“ ефективността на лазера.
Какви са надеждите за бъдещето?
В момента лазерът е доставил 2,2 мегаджаула лазерна енергия. Екипът се върна към етапа на изследване и извърши същия процес след първия експеримент, който доведе до запалване на термоядрен синтез.
Разглеждаме оптиката, оценяваме щетите и разбираме колко често можем да използваме тази нова способност", каза Суратвала. Междувременно ние празнуваме това голямо постижение. То е резултат от години упорита работа на голям екип в рамките на LLNL и много външни партньори."
