75 gadus ir bijis sapnis reproducēt Saulei līdzīgu kodolsintēzi uz Zemes. Zinātnieku un inženieru komandas visā pasaulē ir iztērējušas desmitiem miljardu dolāru dažādām kodolsintēzes metodēm, taču ilgi cīnījušās, lai sasniegtu "tīrās enerģijas ieguves" pavērsiena punktu.
Tomēr vēl pirms gada viss mainījās.
2022. gada 5. decembrī Lorensa Livermoras Nacionālās laboratorijas (LLNL) Nacionālajā aizdedzes iekārtā (NIF) pasaulē lielākais un ar visjaudīgāko lāzeru izšāva 192 lāzera starus un vērsa tos uz piparu graudiņa lieluma mērķi, radot niecīgu "sauli". " uz Zemes. Pēc 2,05 megadžoulu lāzera enerģijas izšaušanas uz mērķi eksperimentā tika iegūts vairāk kodolsintēzes enerģijas, nekā nepieciešams kodolsintēzes degvielas aizdedzināšanai, radot 3,15 megadžoulus enerģijas izlaidi, kas ir nozīmīgs zinātnisks sasniegums gadu desmitiem.
Atkal pārkāpj lāzera enerģijas ierobežojumu
Par laimi, ASV Lorensa Livermoras Nacionālās laboratorijas (LLNL) Nacionālā aizdedzes iekārta nesen uzstādīja vēl vienu jaunu lāzera enerģijas rekordu – pirmo reizi uz aizdedzes mērķi izstaro 2,2 megadžoulus (MJ).
Nesen ziņotais eksperiments, kas tika veikts 30. oktobrī, radīja 3,4 MJ kodolsintēzes enerģijas, panāca aizdegšanos un radīja visu laiku otro lielāko neitronu iznākumu NIF.
Nacionālās aizdedzes iekārtas (NIF) direktors Gordons Bruntons sacīja: "Šis rekordliels lāzera enerģijas līmenis ir neticams sasniegums, kura sasniegšanai bija vajadzīgs daudzu gadu smaga darba. Un tas iezīmē mūsu ceturto veiksmīgo kodolsintēzes aizdedzes demonstrāciju NIF. Šis darbs ir būtiska laboratorijas misijai ar jaunām iespējām, kas var atbalstīt Nacionālās kodoldrošības administrācijas krājumu uzraudzības programmu un, cerams, tuvināt mūs kodolsintēzes enerģijas nākotnei.
2022. gada 5. decembrī LLNL pirmo reizi panāca kodolsintēzes aizdedzi. Otro reizi tas notika 2023. gada 30. jūlijā, kad kontrolētā kodolsintēzes eksperimentā NIF lāzers piegādāja mērķim 2,05 megadžoulus enerģijas, radot 3,88 megadžoulus, kas ir lielākais līdz šim sasniegtais enerģijas ieguvums. NIF lāzera kodolsintēzes aizdedze notika 2023. gada 8. oktobrī ar lāzera enerģiju 1,9 MJ un kodolsintēzes enerģijas izvadi — 2,4 MJ.
Galvenie sasniegumi kodolsintēzes jomā
"Mēs esam uz straujas veiktspējas pieauguma līknes," sacīja Žans Mišels Di Nikola, NIF un Fotonu zinātnes lāzerzinātnes un sistēmu inženierijas organizācijas kopprojekta direktors, "Lāzera enerģijas palielināšana dod mums vairāk rīcības brīvības, lai risinātu tādus jautājumus kā degviela. kapsulas defekti vai degvielas karsto punktu asimetrija. Augstāka lāzera enerģija palīdz sasniegt stabilākus sabrukumus, kas savukārt rada lielāku enerģijas ieguvi."
Nav šaubu par lāzera spēju piegādāt tik daudz enerģijas. Un izaicinājums ir aizsargāt NIF vērtīgo optiku no gružu bojājumiem, saka Bruno Van Vonterghems, NIF operāciju vadītājs: "Lāzers pats spēj radīt lielāku enerģiju, neveicot būtiskas izmaiņas lāzerā. Mēs to visu darām, lai maksimāli kontrolētu bojājumus. Galu galā, ja ir pārāk daudz enerģijas bez pienācīgas aizsardzības, jūsu optika var tikt sapūsta.
NIF pārvalda vienīgo lāzersistēmu pasaulē, kas darbojas virs bojājumu sliekšņa, un tas ir daļēji iespējams ar tā dēvēto optisko otrreizējās pārstrādes cilpu.
Spēcīgāki lāzeri, labāka veiktspēja
Divi nozīmīgi seku mazināšanas pasākumi, kas tika pabeigti 2023. gada jūnijā, bija būtiski, lai mērķim piegādātu 2,2 MJ lāzera enerģijas — kausēta silīcija dioksīda gružu aizsargekrāna izmantošana divām trešdaļām NIF staru līniju un metāla ekranējuma uzstādīšana 32 apakšējās puslodes staru līnijās. , kas atkarībā no staru kūļa līnijas ir samazinājusi gružu radīto bojājumu ātrumu par koeficientu, kas samazināts par koeficientu 10-100. Šī apakšējā staru līnijas optika gravitācijas dēļ uztver visvairāk gružu no mērķa kameras.
Citi uzlabojumi ietver jaunus pretatstarojošus pārklājumus, apstrādi ar heksametildiazepānu (HMDS) un palielinātu optiskās atkopšanas cilpas kapacitāti. Jauns mazinošs līdzeklis - pelēko malu bloķētājs - atrisina problēmu, kuru zinātnieki vēl nebija identificējuši.
"Ir staru apakškopa, kas nedarbojas tik labi kā citi," saka Di Nikola, "un mēs atklājām, ka, ja mēs radikāli samazinām lāzera enerģijas blīvumu, metot ēnu uz vienu staru kūļa līnijas malu, šīs staru līnijas darbojas labāk. Mēs joprojām neesam īsti pārliecināti, kas ir problēmas galvenais cēlonis, taču mēs to aktīvi izmeklēsim nākotnē.
Noslēpuma atrisināšana notika dabiski zinātniekiem un inženieriem, kuri strādāja pie pasaulē enerģiskākās lāzeru sistēmas NIF, un OMST galvenais pārstāvis Tayyab Suratwala sacīja: "Mēs esam rūpīgi izpētījuši lāzera bojājumus un noskaidrojuši, ka mazināšanas pasākumi tika modelēti un pārbaudīti. Tomēr katrs Kad mēs palielinām lāzera enerģiju, mēs ieejam vēl nebijušā teritorijā un atklājam jaunus bojājumu mehānismus.
Ar vairāk enerģijas vien nepietiek, lai uzturētu Nacionālā Zinātņu institūta neticamo zinātnisko sasniegumu rekordu.Di Nikola: "Jums ir jāvirpina šis lielākais āmurs ar kontroli un prasmēm. Lāzera impulss ilgst tikai sekundes miljardo daļu, tāpēc jums ir nepieciešams esiet ļoti precīzs, lai tas būtu pareizi."
Šajā nolūkā komanda nesen pabeidza augstas precizitātes impulsu veidošanas (HiFiPS) sistēmas ieviešanu, kas nodrošina precīzāku un precīzāku impulsu veidošanu. HiFiPS ir projekts, kas tiek izstrādāts gadiem ilgi, un tas nodrošina labāku jaudas līdzsvaru un simetrisku kontroli sabrukšanas gadījumā.
Citā uzlabojumā komanda atjaunoja ierīces optiskās šķiedras, lai padarītu tās izturīgākas pret atkārtotu neitronu iedarbību. Šīs šķiedras tiek izmantotas, lai precīzi izmērītu lāzera impulsus, kas tiek pārraidīti uz mērķi. Atjaunošana palielināja signāla stiprumu par koeficientu 10-100, ļaujot pētniekiem turpināt "redzēt" lāzera veiktspēju.
Kādas ir nākotnes cerības?
Pašlaik lāzers ir piegādājis 2,2 megadžoulus lāzera enerģijas. Komanda atgriezās pētniecības stadijā un veica to pašu procesu pēc pirmā eksperimenta, kas radīja kodolsintēzes aizdedzi.
Mēs skatāmies uz optiku, novērtējam bojājumus un saprotam, cik bieži mēs varam izmantot šo jauno iespēju," sacīja Suratvala. Tikmēr mēs svinam šo lielo sasniegumu. Tas ir daudzu gadu smaga darba rezultāts. komanda LLNL un daudzi ārējie partneri."
