Od 75 lat marzeniem było odtworzenie na Ziemi syntezy podobnej do słonecznej. Zespoły naukowców i inżynierów na całym świecie wydały dziesiątki miliardów dolarów na różne metody syntezy termojądrowej, ale od dawna walczyły o osiągnięcie kamienia milowego w postaci „zysku energii netto”.
Jednak jeszcze rok temu wszystko się zmieniło.
5 grudnia 2022 r. w National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) największy na świecie laser o najwyższej energii wystrzelił 192 wiązki laserowe i skierował je na cel wielkości ziarenka pieprzu, tworząc maleńkie „słońce” " na ziemi. Po wystrzeleniu w cel energii lasera o mocy 2,05 megadżuli eksperyment wytworzył więcej energii termojądrowej, niż potrzeba do zapalenia paliwa termojądrowego, generując 3,15 megadżuli energii wyjściowej, co stanowi główny przełom naukowy od dziesięcioleci.
Ponowne przekroczenie limitu energii lasera
Na szczęście National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w Stanach Zjednoczonych ustanowiło niedawno kolejny nowy rekord energii lasera — emitując po raz pierwszy energię 2,2 megadżuli (MJ) na tarczę zapłonową.
Nowo opisany eksperyment, przeprowadzony 30 października, wytworzył 3,4 MJ energii termojądrowej, osiągnął zapłon i wytworzył drugą co do wielkości wydajność neutronów w historii NIF.
Gordon Brunton, dyrektor National Ignition Facility (NIF), powiedział: „Ten rekordowy poziom energii lasera to niesamowite osiągnięcie, którego osiągnięcie wymagało lat ciężkiej pracy. Jest to nasza czwarta udana demonstracja zapłonu termojądrowego w NIF. Ta praca ma fundamentalne znaczenie dla misji laboratorium, oferując nowe możliwości, które mogą wesprzeć program zarządzania zapasami Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Jądrowego i, miejmy nadzieję, przybliżyć nas do przyszłości energii termojądrowej”.
5 grudnia 2022 r. LLNL po raz pierwszy dokonał zapłonu termojądrowego. Drugi raz miał miejsce 30 lipca 2023 r., kiedy laser NIF dostarczył do celu 2,05 megadżuli energii w ramach kontrolowanego eksperymentu termojądrowego, wytwarzając energię syntezy jądrowej na poziomie 3,88 megadżuli, co stanowi najwyższy dotychczas uzyskany zysk energii. Laser NIF osiągnął zapłon termojądrowy 8 października 2023 r., przy energii lasera 1,9 MJ i mocy wyjściowej energii termojądrowej 2,4 MJ.
Kluczowe postępy w syntezie jądrowej
„Jesteśmy na dobrej drodze do szybkiego wzrostu wydajności” – powiedział Jean-Michel Di Nicola, dyrektor wspólnego projektu NIF i organizacji Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organisation. „Zwiększenie energii lasera daje nam większą swobodę w rozwiązywaniu takich problemów, jak paliwo defekty kapsułek lub asymetrie gorących punktów paliwa. Wyższe energie lasera pomagają osiągnąć bardziej stabilne implozje, co z kolei prowadzi do wyższych uzysków energii”.
Nie ma wątpliwości, że laser jest w stanie dostarczyć tak dużo energii. Wyzwaniem jest ochrona cennej optyki NIF przed uszkodzeniem przez gruz, mówi Bruno Van Wonterghem, menedżer operacyjny w NIF: „Laser sam w sobie jest w stanie generować wyższe energie bez wprowadzania fundamentalnych zmian w laserze. Robimy to wszystko, aby zmaksymalizować kontrolę uszkodzeń. W końcu, jeśli będzie za dużo energii bez odpowiedniej ochrony, optyka może zostać rozerwana na kawałki.”
NIF zarządza jedynym systemem laserowym na świecie, który działa powyżej progu uszkodzeń, co jest możliwe po części dzięki tak zwanej Optycznej Pętli Recyklingu.
Mocniejsze lasery, lepsza wydajność
Dwa główne środki łagodzące, ukończone w czerwcu 2023 r., miały kluczowe znaczenie dla dostarczenia 2,2 MJ energii lasera do celu – zastosowanie osłony z cząstek topionej krzemionki na dwóch trzecich linii wiązki NIF oraz instalacja metalowej osłony na 32 liniach wiązki z dolnej półkuli , co w zależności od linii wiązki zmniejszyło stopień uszkodzeń spowodowanych przez gruz o współczynnik zmniejszony o współczynnik 10-100. Te elementy optyczne o dolnej linii wiązki odbierają najwięcej zanieczyszczeń z komory docelowej z powodu grawitacji.
Inne ulepszenia obejmują nowe powłoki antyrefleksyjne, obróbkę heksametylodiazepanem w postaci pary (HMDS) i zwiększoną wydajność pętli odzyskiwania optycznego. Nowy środek łagodzący – bloker szarej krawędzi – rozwiązuje problem, którego naukowcy jeszcze nie zidentyfikowali.
„Istnieje podzbiór wiązek, które nie działają tak dobrze jak inne” – mówi Di Nicola – „i odkryliśmy, że jeśli radykalnie zmniejszymy gęstość energii lasera poprzez rzucenie cienia na jedną krawędź linii wiązki, linie te będą działać lepiej Nadal nie jesteśmy do końca pewni, jaka jest pierwotna przyczyna problemu, ale będziemy aktywnie badać tę kwestię w przyszłości.
Rozwiązanie zagadki przyszło naturalnie naukowcom i inżynierom pracującym nad najbardziej energetycznym systemem laserowym na świecie, NIF, a główny przedstawiciel OMST Tayyab Suratwala powiedział: „Przeanalizowaliśmy uszkodzenia lasera i ustaliliśmy, że zamodelowano i przetestowano środki łagodzące. Jednak każdy z nich gdy zwiększymy energię lasera, wkroczymy na bezprecedensowe terytorium i odkryjemy nowe mechanizmy zniszczeń.”
Sama większa ilość energii nie wystarczy, aby podtrzymać niesamowity rekord odkryć naukowych Narodowego Instytutu Nauki. Di Nicola: „Musisz machać większym młotkiem z kontrolą i umiejętnościami. Impuls lasera trwa tylko jedną miliardową sekundy, więc musisz bądź bardzo precyzyjny, aby zrobić to dobrze.”
W tym celu zespół niedawno zakończył wdrażanie systemu High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS), który umożliwia bardziej precyzyjne i dokładne kształtowanie impulsów. HiFiPS to projekt realizowany od lat, który umożliwia lepszy bilans mocy i symetryczną kontrolę podczas implozji.
W ramach kolejnego udoskonalenia zespół odnowił włókna optyczne urządzenia, aby uczynić je bardziej odpornymi na wielokrotną ekspozycję na neutrony. Włókna te służą do dokładnego pomiaru impulsów laserowych przesyłanych do celu. Modernizacja zwiększyła siłę sygnału o współczynnik 10-100, dzięki czemu badacze mogli w dalszym ciągu „obserwować” działanie lasera.
Jakie są nadzieje na przyszłość?
Obecnie laser dostarczył 2,2 megadżuli energii lasera. Zespół wrócił do etapu badań i przeprowadził ten sam proces po pierwszym eksperymencie, w wyniku którego doszło do zapłonu termojądrowego.
Przyglądamy się optyce, oceniamy uszkodzenia i rozumiemy, jak często możemy korzystać z tej nowej możliwości” – powiedziała Suratwala. W międzyczasie świętujemy to ważne osiągnięcie. Jest to wynik lat ciężkiej pracy dużej zespół w LLNL i wielu partnerów zewnętrznych.”
