Преди една година човечеството осъзна за първи път нетната енергийна печалба от реакцията на ядрен синтез. През тази година NIF непрекъснато се подобрява и успешно реализира още три запалвания, счупвайки няколко поредни рекорда! Наскоро водещият учен на проекта беше избран за един от 10-те най-добри хора на годината на Nature...
Преди една година човечеството осъзна за първи път нетната енергийна печалба от реакцията на ядрен синтез. През тази година NIF продължи да се подобрява и след това успешно реализира три запалвания, счупвайки няколко рекорда! Съвсем наскоро, главният учен на проекта, но също така избран за един от десетте най-добри хора на годината на Nature.
14 декември миналата година, Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор (LLNL) за първи път постигна успех при запалване на контролиран ядрен синтез, за да може цялото човечество да се възползва от чистата енергия "Светия Граал" -
След доставяне на 2,05 мегаджаула (MJ) енергия към целта, е произведена енергия от термоядрения синтез от 3,15 MJ с енергийна печалба от около 1,5.
На 30 юли 2023 г. лабораторията постигна първата си изходна енергия от 3,88 MJ, най-високата досега.
На 30 октомври лабораторията постави нов рекорд - 2. За първи път бяха постигнати 2 мегаджаула вложена енергия. Междувременно изходната енергия от 3,4 мегаджаула се класира на второ място.
В лицето на успешното „запалване“ отново и отново, Nature също развълнувано публикува статия, в която се казва, че лазерният синтез е на път да навлезе в изцяло нова ера.
Възможно е, когато контролираният ядрен синтез най-накрая се реализира, човечеството ще има възможността да получи огромни количества чиста енергия без въглерод за първи път в историята, революционизирайки енергийната пътна карта за бъдещето.
С други думи, дотогава няма да има повече парникови газове от изгарянето на въглища и нефт, няма да има повече опасни, дълготрайни радиоактивни отпадъци – човечеството ще има достъп до „чиста енергия“ в истинския смисъл на думата.
Това означава, че недостигът на енергия, който тормози човечеството, откакто навлязохме в електрическата ера, ще изчезне. Човечеството дори може да реализира безпрецедентни технологични пробиви в звездната енергия, донесена от контролирания ядрен синтез.
Но да се върнем първо към реалността.
Истинската трудност да накараш лазера да достави толкова огромни количества енергия е как да защитиш ценната оптика на NIF от повреда от отломки.
NIF е единствената лазерна система в света, която може да работи над прага на повреда и това отчасти се дължи на цикъла на оптично възстановяване, разработен в лабораторията.
Подобрена оптика
През юни 2023 г. NIF завърши две ключови подобрения, които бяха критични за постигане на 2,2 мегаджаула входяща енергия.
Те включват използването на екранировка от остатъци от стопен силициев диоксид на две трети от лъчевите линии на NIF и инсталирането на метална екранировка на 32 лъчеви линии в долното полукълбо.
Тези подобрения намалиха степента на щети, причинени от отломки, с коефициент от 10 до 100, в зависимост от линията на лъча. Оптиката на долните линии на лъча получи най-много отломки от целевата камера поради гравитацията.
Други подобрения включват ново антирефлексно покритие, обработка с хексаметилдисилоксан (HMDS) и увеличаване на капацитета на оптичния цикъл на рециклиране. Както и нов „блокер на сивия ръб“ за проблем, който учените все още не са напълно дефинирали.
Повече от просто увеличаване на енергията
Повишената енергия сама по себе си не е достатъчна, за да поддържа невероятните пробиви, които NIF направи в науката -
Лазерните импулси продължават само няколко милиардни от секундата, така че е необходима изключителна прецизност за постигане на желаните резултати.
За да постигне тази цел, екипът наскоро завърши внедряването на система за оформяне на пулса с висока точност (HiFiPS).
Многогодишен проект, HiFiPS позволява по-прецизно и точно оформяне на импулса, което от своя страна позволява по-добър баланс на мощността и контрол на симетрията при имплозии.
Освен това екипът обнови оптичните влакна в съоръжението, за да ги направи по-толерантни към повтарящо се излагане на неутрони. Тези влакна се използват за точно измерване на лазерния импулс, доставен към целта.
Като пряк резултат от обновяването, силата на сигнала беше увеличена с коефициент от 10 до 100 и изследователите успяха да продължат да „наблюдават“ точно работата на лазера.
Въпреки това, все още има дълъг път от сегашното ниво на техниката до реализирането на доставката на енергия от термоядрения синтез към мрежата.
Въпреки че NIF има най-големия лазер в света днес, системата е изключително неефективна, като повече от 99% от енергията при всяко запалване се губи, преди да достигне целта си.
И разработването на по-ефективна лазерна система е ключова цел на новостартиралата програма за изследване на инерционния синтез на DOE.
Отделът наскоро обяви, че ще инвестира 42 милиона долара за четири години, за да създаде три нови изследователски центъра, които да работят заедно за постигането на този и други научни постижения.
Всеки от тези центрове ще включва национални лаборатории, университетски изследователи и индустриални партньори.
И една от централните фигури в цялата програма за термоядрен синтез, физикът Ани Критчър, успя да влезе и в Топ 10 на научните хора на годината на Nature.
През 2022 г. Ани Критчър постигна цел в National Ignition Facility (NIF), която беше неуловима в лабораториите по света от десетилетия - компресирайки атомите до такава крайност, че техните ядра се сляха и произведоха повече енергия, отколкото изразходва самата реакция.
Но след достигането на този експериментален крайъгълен камък (т.е. запалване), екипът беше под натиск да повтори постижението.
Изследванията с високи залози рядко протичат гладко: екипът проведе първото си копиране през юни, но резултатите бяха лоши.
За щастие третият опит беше успешен.
На 30 юли 192-лъчевият лазер на NIF изстреля 2,05 мегаджаула енергия към малки сфери от водородните изотопи деутерий и тритий, суспендирани в златен цилиндър.
Получената имплозия накара изотопите да освободят енергия, докато се сляха в хелий и произведоха температури шест пъти по-високи от тези на слънчевото ядро.
В крайна сметка те създадоха рекордните 3,88 мегаджаула термоядрена енергия.
Ако погледнем по света, никоя лаборатория не е успяла да реализира реакция на синтез, която извежда повече енергия, отколкото консумира, докато NIF не постигне това постижение.
След това Кричър и нейният екип успешно извършиха още две запалвания през октомври, като общият брой стана четири.
Критчър започва да изследва енергията на термоядрения синтез, когато е била летен стажант в Ливърмор през 2004 г. Скоро тя насочва вниманието си към NIF - едно от малкото места в света, където могат да се изучават реакции на термоядрения синтез.
Оттогава тя ръководи екип, който анализира експериментални данни и използва компютърни модели за проектиране на експерименти - чрез коригиране на параметри като размера и конфигурацията на мишената и енергията и времето на различните лазерни лъчи - за постигане и увеличаване на добивите от синтез. След като нейният екип завърши дизайна, експерименталният екип поема изстрелването на лазерите и събирането на данни.
Процесът показа, че Kritcher е изключителна и това я накара да стане един от водещите дизайнери в NIF през 2016 г.
През следващите няколко години Критчър и нейният екип обработват числата и променят дизайна на основната експериментална програма на NIF. Докато прави различни промени в целта, екипът също така използва различни подобрения, за да увеличи общата енергия на лазера. Резултатът е, че ядреният синтез се осъществява все по-често.
С успеха на "Ignition", Kritcher започна нова серия от експерименти - увеличаване на добива отново чрез доставяне на повече лазерна енергия към по-дебела целева капсула.
И това представлява още една стъпка към постигане на десетки тераджаули или дори по-високи добиви при NIF.
Контролиран синтез, Светият Граал на чистата енергия
Просто казано, ядреният синтез е процесът, при който две леки атомни ядра се комбинират, за да образуват по-тежко ядро и освобождават огромно количество енергия.
Два водородни атома се сблъскват и полимеризират, за да образуват хелиев атом, който има малко по-малка маса от оригиналния водороден атом. Според емблематичното уравнение E=mc² маса-енергия на Айнщайн, тази масова разлика се преобразува в изблик на енергия.
В сърцевината на слънцето всяка секунда протича синтез на 620 милиона тона водород. Произведената енергия е източникът на целия живот на Земята.
Но едно от големите предизвикателства при използването на ядрения синтез е как да направим енергията, освободена от реакцията на синтез, по-голяма от вложената енергия и да направим процеса устойчив.
Принципът на запалване на NIF
През 60-те години на миналия век група учени-пионери в LLNL предположиха, че лазерите могат да бъдат използвани за предизвикване на ядрен синтез в лабораторни условия.
След това тази революционна идея еволюира в инерционен термоядрен синтез под ръководството на физика Джон Нуколс.
За да реализира тази концепция, LLNL изгради серия от все по-мощни лазерни системи, чиято кулминация е най-големият и най-енергичен NIF в света.
В експеримента лазерите имитират условията в центъра на Слънцето, като сливат тежки водородни изотопи, деутерий и тритий, в хелий.
Първо няколко водородни топчета бяха поставени в устройство с размер на зърно черен пипер, а след това мощен 192-лъчев лазер беше използван за нагряване и компресиране на водородното гориво.
Лазерите, навлизайки в тора, удрят вътрешните стени и ги карат да излъчват рентгенови лъчи, които след това могат да го нагреят до 100 милиона градуса по Целзий - по-горещо от центъра на слънцето - и да го компресират до повече от 100 милиарда пъти атмосферното налягане на Земята.
Високоенергийните лазери биха плазмирали повърхността на петното, а останалата част от централния материал, управляван от третия закон на Нютон, в крайна сметка ще се срути към центъра и ще експлозира.
По време на имплозия може да възникне верижна реакция - или "запалване" - ако правилното количество топлина и налягане се приложат към горивната пелета, която след това освобождава голямо количество енергия.
Инженерни чудеса
Националното съоръжение за запалване (NIF), което прави всичко по-горе възможно, също е забележително постижение в инженерството и технологиите.
Учени по материали и лазерни физици работиха с инженери, за да проектират съоръжение, съдържащо 7500 големи оптични елементи, 26000 малки оптични устройства и повече от 66000 контролни точки.
Тази оптика и други компоненти се съдържат в приблизително 6200 сложни модулни единици, наречени Line Replaceable Units (LRU). Те могат бързо да се сменят при необходимост за осигуряване на непрекъсната работа на съоръжението.
NIF лазерният импулс изминава един километър и отнема 4,5 микросекунди от първоначалното формиране на импулс в камерата на главния осцилатор до достигане на целта. Разликата във времето за достигане на центъра на целевата камера е 30 пикосекунди с точност от 50 микрона.
Постигането на този вид стабилност на насочване и абсолютна точност на целта е огромно инженерно предизвикателство, изискващо солидна стабилност на оптичната опорна система, прецизно позициониране и подравняване на компонентите и изключително точна компютъризирана система за синхронизиране.
За да посрещнат тези предизвикателства, всички структури, поддържащи NIF огледалата и лещите, са проектирани с мисъл за изключителна стабилност.
Инженерният екип щателно изчислява възможните ефекти върху лазерните компоненти, обикновено лазерните огледала, за всички източници на вибрации, включително помпи, двигатели и трансформатори.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) и дрейф (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
В допълнение, за да се гарантира, че компонентите на линията на лъча не влияят върху пространството на лазера, екипът използва техники за прецизно измерване, което води до строга измервателна мрежа и контролирано физическо местоположение на всички компоненти на линията на лъча. Позициите на всички корпуси на лъча, опорни системи и целеви камери бяха с точност до четвърт милиметър.
След това тази информация беше предоставена на проектантския екип, който проектира конструкцията както с достатъчна твърдост, така и с амортизация, така че реакцията на конструкцията на вибрациите на земята и очакваните вибрации от строителното оборудване да отговарят на общите изисквания за стабилност.
Гарантирането, че всичките 192 лазерни лъча са пристигнали в рамките на определените 30 пикосекунди, беше постигнато чрез система за прецизно определяне на времето, използваща GPS сателитна система, която постоянно актуализира вътрешния часовник. Интегрираният софтуер и хардуер постоянно наблюдават и актуализират времето, за да поддържат точността.
Всеки механичен интерфейс е проектиран за по-добър от 300 фемтосекунди (три трилионни от секундата) толеранс, така че LRU могат да се променят по всяко време, за да се поддържа точността на синхронизирането. В допълнение, строго контролирана програма поддържа системно време за всеки LRU.
Въпреки че все още не можем да приложим ядрен синтез за генериране на енергия с това устройство.
Но в мащаб от 60 години човечеството направи голям пробив.
За в бъдеще може също да имаме повече въображение.
