I 75 år har det varit en dröm att reproducera solliknande fusion på jorden. Team av forskare och ingenjörer runt om i världen har spenderat tiotals miljarder dollar på olika fusionsmetoder, men har länge kämpat för att nå milstolpen "nettoenergivinst".
Fram till för ett år sedan förändrades dock allt.
Den 5 december 2022, vid National Ignition Facility (NIF) vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avfyrade världens största laser med högst energi 192 laserstrålar och riktade dem mot ett mål i storleken av pepparkorn, vilket skapade en liten "sol". " på jorden. Efter att ha avfyrat 2,05 megajoule laserenergi mot målet producerade experimentet mer fusionsenergi än vad som krävs för att antända fusionsbränsle genom att generera 3,15 megajoule energiproduktion - ett stort vetenskapligt genombrott på decennier.
Bryter laserenergigränsen igen
Lyckligtvis satte National Ignition Facility (NIF) vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i USA nyligen ytterligare ett nytt rekord för laserenergi - avger 2,2 megajoule (MJ) för första gången på ett antändningsmål.
Det nyligen rapporterade experimentet, som genomfördes den 30 oktober, producerade 3,4 MJ fusionsenergi, uppnådde antändning och producerade det näst högsta neutronutbytet någonsin vid NIF.
Gordon Brunton, chef för National Ignition Facility (NIF), sa: "Denna rekordnivå av laserenergi är en otrolig prestation som tog år av hårt arbete att uppnå. Och det markerar vår fjärde framgångsrika demonstration av fusionständning på NIF. Detta arbete är grundläggande för laboratoriets uppdrag, med nya möjligheter som kan stödja National Nuclear Security Administrations Stockpile Stewardship Program och förhoppningsvis föra oss närmare framtiden för fusionsenergi."
Den 5 december 2022 uppnådde LLNL fusionständning för första gången. Andra gången var den 30 juli 2023, när NIF-lasern levererade 2,05 megajoule energi till målet i ett kontrollerat fusionsexperiment, vilket producerade en fusionsenergiutgång på 3,88 megajoule, den högsta energivinsten som uppnåtts hittills. NIF laser uppnådd fusionständning var den 8 oktober 2023, med en laserenergi på 1,9 MJ och en fusionsenergiutgång på 2,4 MJ.
Viktiga framsteg inom kärnfusion
"Vi befinner oss på en brant prestandatillväxtkurva", säger Jean-Michel Di Nicola, gemensam projektledare för NIF och Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization, "Att öka laserenergin ger oss mer utrymme att ta itu med frågor som bränsle kapseldefekter eller asymmetrier i bränsle-hotspots. Högre laserenergier hjälper till att uppnå stabilare implosioner, vilket i sin tur leder till högre energiutbyte."
Det råder ingen tvekan om laserns förmåga att leverera så mycket energi. Och utmaningen är att skydda NIF:s dyrbara optik från skräpskador, säger Bruno Van Wonterghem, verksamhetschef på NIF: "Lasern i sig är kapabel att generera högre energier utan att göra grundläggande förändringar av lasern. Vi gör allt detta för att maximera skadekontrollen. När allt kommer omkring, om det finns för mycket energi utan ordentligt skydd, kan din optik sprängas i bitar."
NIF hanterar det enda lasersystemet i världen som fungerar över skadetröskeln, en bedrift som delvis möjliggjorts av det som kallas Optical Recycling Loop.
Starkare lasrar, bättre prestanda
Två stora begränsningsåtgärder, som slutfördes i juni 2023, var avgörande för att leverera 2,2 MJ laserenergi till målet - användningen av skärmning av smält kiseldioxidskräp på två tredjedelar av NIF:s strållinjer och installation av metallskärmning på 32 strållinjer på den nedre halvklotet , som, beroende på strållinjen, har minskat graden av skräpinducerad skada med en faktor som reduceras med en faktor på 10-100. Dessa optik med lägre strållinje tar emot mest skräp från målkammaren på grund av gravitationen.
Andra förbättringar inkluderar nya antireflekterande beläggningar, behandling med ånghexametyldiazepan (HMDS) och ökad kapacitet hos den optiska återvinningsslingan. Ett nytt mildrande medel - en gråkantsblockerare - löser ett problem som forskarna ännu inte hade identifierat.
"Det finns en delmängd av strålar som inte presterar lika bra som andra," säger Di Nicola, "och vi upptäckte att om vi radikalt minskar laserenergitätheten genom att kasta en skugga på ena kanten av strållinjen, så presterar dessa strållinjer bättre . Vi är fortfarande inte helt säkra på vad grundorsaken till problemet är, men vi kommer att aktivt undersöka detta i framtiden."
Att lösa mysteriet kom naturligt för forskarna och ingenjörerna som arbetar med världens mest energiska lasersystem, NIF, och OMST:s chefsrepresentant Tayyab Suratwala sa: "Vi har granskat laserskadorna och identifierat att de mildrande åtgärderna modellerades och testades. När vi ökar laserenergin går vi in på ett aldrig tidigare skådat territorium och avslöjar nya skademekanismer."
Mer energi enbart är inte tillräckligt för att upprätthålla National Institute of Sciences otroliga rekord av vetenskapliga genombrott. Di Nicola: "Du måste svinga den större hammaren med kontroll och skicklighet. Laserpulsen varar bara en miljarddels sekund, så du måste vara mycket exakt för att få det precis rätt."
För det ändamålet har teamet nyligen slutfört utbyggnaden av HiFiPS-systemet (High Fidelity Pulse Shaping), vilket möjliggör mer exakt och exakt pulsformning. HiFiPS är ett projekt under årens lopp som möjliggör bättre kraftbalans och symmetrisk kontroll vid implosioner.
I en annan förbättring renoverade teamet enhetens optiska fibrer för att göra dem mer motståndskraftiga mot upprepad neutronexponering. Dessa fibrer används för att noggrant mäta laserpulserna som överförs till målet. Renoveringen ökade signalstyrkan med en faktor 10-100, vilket gjorde att forskare kunde fortsätta att "se" laserns prestanda.
Vilka är förhoppningarna inför framtiden?
För närvarande har lasern levererat 2,2 megajoule laserenergi. Teamet gick tillbaka till forskningsstadiet och genomförde samma process efter det första experimentet som gav fusionständning.
Vi tittar på optiken, bedömer skadan och förstår hur ofta vi kan använda den här nya kapaciteten", sa Suratwala. Under tiden firar vi denna stora prestation. Det är resultatet av år av hårt arbete av en stor team inom LLNL och många externa partners."
