Zahuktava se utrka za-pokretanu fuzijsku energiju

U kolovozu 2022., kada je tim znanstvenika iz National Ignition Facility (NIF) Lawrence Livermore National Lab (LLNL) ispalio metak koji je postigao prinos od 1,35 megajoula (MJ) fuzijske energije s 1,9 MJ laserske energije, bio je to dugo-očekivani znanstveni proboj koji je signalizirao fuzijsku opeklinu.

Kasnije te iste godine tijekom još jednog eksperimenta inercijalne fuzije (aka laser-vođene fuzije), znanstvenici su postigli prinos od 3,15 MJ fuzijske energije s 2,05 MJ laserske energije i postigli su paljenje. Bila je to reakcija termonuklearne fuzije stvorena u laboratoriju-i pokrenula je globalnu utrku da se fuzijska energija-bez ugljika-pokretana laserom stavi u mrežu do 2030-ih ili 2040-ih.

"Ovo je bila prekretnica kada je NIF prvi put uspješno pokazao da je inercijalna fuzija moguća, a ključ je imati pravu vrstu goriva-deuterij-tricij-i korištenje lasera za njegovo sažimanje i spajanje kako bi se stvorio dobitak (više energije izvučeno nego uloženo)", kaže Arianna Gleason, znanstvenica i zamjenica direktora SLAC-ovog odjela za znanost visoke gustoće energije. "To je kao da održavate gorivo zvijezde-samo djelić sekunde unutar laboratorija."

U kolovozu 2022., kada je tim znanstvenika iz National Ignition Facility (NIF) Lawrence Livermore National Lab (LLNL) ispalio metak koji je postigao prinos od 1,35 megajoula (MJ) fuzijske energije s 1,9 MJ laserske energije, bio je to dugo-očekivani znanstveni proboj koji je signalizirao fuzijsku opeklinu.

Kasnije te iste godine tijekom još jednog eksperimenta inercijalne fuzije (aka laser-vođene fuzije), znanstvenici su postigli prinos od 3,15 MJ fuzijske energije s 2,05 MJ laserske energije i postigli su paljenje. Bila je to reakcija termonuklearne fuzije stvorena u laboratoriju-i pokrenula je globalnu utrku da se fuzijska energija-bez ugljika-pokretana laserom stavi u mrežu do 2030-ih ili 2040-ih.

"Ovo je bila prekretnica kada je NIF prvi put uspješno pokazao da je inercijalna fuzija moguća, a ključ je imati pravu vrstu goriva-deuterij-tricij-i korištenje lasera za njegovo sažimanje i spajanje kako bi se stvorio dobitak (više energije izvučeno nego uloženo)", kaže Arianna Gleason, znanstvenica i zamjenica direktora SLAC-ovog odjela za znanost visoke gustoće energije. "To je kao da održavate gorivo zvijezde-samo djelić sekunde unutar laboratorija."

Laserska arhitektura napreduje za fuziju

NIF je izgrađen tijekom 1990-ih i sadrži lasersku tehnologiju tog vremena. "Sada gradimo lasere mnogo učinkovitije nego 1990-ih. Naša je tehnologija napredovala do točke u kojoj možemo imati visoko učinkovite lasere s brzinama ponavljanja koje su nam potrebne za fuziju-mnogo snimaka u sekundi", kaže Glenzer. "Zanimljivo, mikročipovi unutar iPhonea proizvedeni su laserskom tehnologijom koja je zapravo proizašla iz programa laserske fuzije. Bio je to prvi komercijalni uspjeh laserske fuzije."

Unutar fuzijske zajednice laserska tehnologija polako se udaljava od starijih arhitektura koje su funkcionirale u prošlosti-laseri s bljeskalicom-na pumpu ili bljeskalicom-bili su "vrlo snažna radna snaga", kaže Gleason. "Ali trebamo učinkovitije, pa koristimo diodne-pumpane-solid state lasere (DPSSL)."

To znači da treba izgraditi opskrbni lanac za DPSSL lasere, jer se svi kreću prema IFE standardnoj laserskoj platformi za potrebna ispitivanja. "Vlakna{1}}spregnuti laseri jedna su metoda za premještanje svjetlosti s jedne lokacije na drugu, a sveprisutno ih koriste telekomi, ali kako fuzijska zajednica pokušava iskoristiti prednost trenutne generacije laserskih arhitektura, a mi gradimo veće lasere, moramo više voditi računa o tome kako se stvari hlade. To je prostor za inovacije za tvrtke", kaže Gleason.

Excimer laseri koriste plin kao medij i "imaju snažnu povijest u Ministarstvu obrane (DoD) za oružje usmjerene-energije", kaže Gleason. "To je također osnova za koncept fuzije. Ostvaren je veliki napredak s excimer laserima, koji se oslanjaju na desetljeća fizike i studija. Napredujemo da imamo tako moćan laser-možda na manjem otisku ili s boljom učinkovitošću. Kako hladiti tako veliku lasersku strukturu? To su mjesta na kojima privatne tvrtke mogu razviti svoj vlastiti tajni umak."

STARFIRE i RISE fuzijska čvorišta

STARFIRE fuzijsko središte vodi LLNL, sa SLAC-om, za komercijalizaciju energije laserske-fuzije. Fokus je na visoko{2}}dizajnu ciljeva, proizvodnji ciljeva i DPSSL-ovima. Članovi uključuju MIT; Kalifornijsko sveučilište, Berkeley; Kalifornijsko sveučilište, Los Angeles; Kalifornijsko sveučilište, San Diego; Sveučilište Oklahoma; Sveučilište Rochester; Texas A&M; Fraunhofer institut za lasersku tehnologiju; Livermore Lab Foundation; Oak Ridge National Laboratory; Savannah River National Laboratory; Focused Energy Inc.; General Atomics; Leonardo Electronics US; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; i Xcimer Energy Corp.

Tim ima pristup laserskim laboratorijima u SLAC-u, tako da imaju priliku koristiti Linac Coherent Light Source (LCLS), jedini elektronski laser bez x-zraka- (XFEL) u SAD-u, za sondiranje i ispitivanje materijala kapsule ili fuzijskog goriva. Radi na 120 Hz, ali će uskoro raditi u megahercima.

"U našim eksperimentima na SLAC-u koristimo dva lasera odjednom. Dugi-pulsni laser pokreće udarne valove u uzorak, a zatim ga ispitujemo pomoću LCLS-a da vidimo što se događa na najsitnijim duljinama i vremenskim skalama kako bismo poboljšali naše fizičke modele", kaže Gleason. "Moramo usporediti jabuke s jabukama kako bismo odredili je li naš fizički model ispravan. On podupire ne samo ono što nacionalni laboratoriji trebaju, nego također daje privatnim tvrtkama način da predvide hoće li dio njihovog koncepta funkcionirati ili ne (na primjer, kako simuliraju svoj ciljni angažman). A mi im pružamo te kritične podatke koristeći naš pristup različitim laserskim i instrumentalnim platformama."

Drugo središte, RISE, vode SLAC i Državno sveučilište Colorado, a uključuje stručnjake sa Sveučilišta Cornell, Sveučilišta Illinois, Teksaškog A&M-a, Nacionalnog laboratorija Los Alamos, Laboratorija za mornarička istraživanja i privatnih tvrtki -Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion i General Atomics-koji rade na različitim pristupima laserskom pokretaču.

"Svi imaju vjerodostojan pristup", kaže Glenzer. "Ali nije kao da jedna tvrtka pokušava sve to ostvariti-ovo je zajednica i središte fuzije širom zemlje. Istraživači pokušavaju unaprijediti tehnologije i učimo jedni od drugih kako bismo pokušali zatvoriti nedostatke u istraživanju i tehnologiji do 2030-ih."

Ulagači Glenzera često pitaju koju tvrtku za fuziju podržati. "Neke tvrtke koje se bave laserima mogu zaraditi mnogo ranije isporučujući lasere za obaranje dronova unutar obrambenog prostora", kaže on. "Ali investitorima se zapravo ne sviđa ta ideja jer žele tržište koje služi samo fuziji i elektricitetu. Oni zapravo žele da te tvrtke proizvode fuziju kako bi mogle prodavati električnu energiju. Zaista je zanimljivo koliko su fokusirani na postizanje fuzije."

Zajednica za fuziju "itekako je svjesna zahtjeva opskrbnog lanca za fuzijske tvrtke da imaju resurse ne samo za izradu svojih demo pilot planova, već i za dugoročnu-flotu reaktora", kaže Gleason. "To je višestruki pristup u smislu odakle možemo nabaviti sirovine, a potom i proizvedene komponente diljem SAD-a, kako bismo uspostavili domaći lanac opskrbe. To je ključno."