För ett år sedan insåg mänskligheten nettoenergivinsten av kärnfusionsreaktioner för första gången. Under detta år har NIF kontinuerligt förbättrats och har framgångsrikt realiserat ytterligare tre tändningar, vilket slår flera rekord i rad! Nyligen valdes projektets ledande forskare ut till en av naturens 10 bästa människor...
För ett år sedan insåg mänskligheten nettoenergivinsten av kärnfusionsreaktioner för första gången. Under detta år fortsatte NIF att förbättra sig, och realiserade sedan framgångsrikt tre tändningar och slog flera rekord! Helt nyligen, projektets chefsforskare, men också utvald som en av naturens tio bästa personer för året.
14 december förra året, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) för första gången för att uppnå kontrollerad kärnfusion antändning framgång, för hela mänskligheten att ta av den rena energin "Holy Grail" -
Efter att ha levererat 2,05 megajoule (MJ) energi till målet producerades en fusionsenergieffekt på 3,15 MJ med en energivinst på cirka 1,5.
Den 30 juli 2023 uppnådde laboratoriet sin första uteffekt någonsin på 3,88 MJ, den högsta någonsin.
Den 30 oktober satte labbet ytterligare ett rekord - 2.2 megajoule inmatad energi uppnåddes för första gången. Samtidigt kom utenergin på 3,4 megajoule på andra plats.
Inför framgångsrik "tändning" om och om igen, publicerade Nature också ivrigt en artikel som sa - laserfusion är på väg att gå in i en helt ny era.
Det är tänkbart att när kontrollerad kärnfusion äntligen förverkligas, kommer mänskligheten att ha möjlighet att erhålla enorma mängder kolfri ren energi för första gången i historien, vilket revolutionerar energifärdplanen för framtiden.
Med andra ord, vid den tiden kommer det inte att finnas fler växthusgaser från förbränning av kol och olja, inget mer farligt, långlivat radioaktivt avfall - mänskligheten kommer att ha tillgång till "ren energi" i ordets rätta bemärkelse.
Det betyder att den energibrist som har plågat mänskligheten sedan vi gick in i den elektriska tidsåldern kommer att försvinna. Mänskligheten kan till och med realisera oöverträffade tekniska genombrott i den stjärnenergi som förs med av kontrollerad kärnfusion.
Men låt oss gå tillbaka till verkligheten först.
Den verkliga svårigheten med att få lasern att leverera så enorma mängder energi är hur man skyddar NIF:s dyrbara optik från skador från skräp.
NIF är det enda lasersystemet i världen som kan fungera över skadetröskeln, och det beror delvis på den optiska återställningscykeln som utvecklats i labbet.
Förbättrad optik
I juni 2023 slutförde NIF två viktiga förbättringar som var avgörande för att uppnå de 2,2 megajoules ingående energi.
Dessa inkluderar användningen av skärmning av smält kvartsskräp på två tredjedelar av NIF:s strållinjer och installation av metallskärmning på 32 strållinjer på nedre halvklotet.
Dessa förbättringar minskade skadefrekvensen orsakad av skräp med en faktor på 10 till 100, beroende på strållinjen. Optiken vid de nedre strållinjerna fick mest skräp från målkammaren på grund av gravitationen.
Andra förbättringar inkluderar en ny antireflekterande beläggning, ångbehandling med hexametyldisiloxan (HMDS) och en ökning av optisk återvinningscykelkapacitet. Samt en ny "grå kantblockerare" för ett problem som forskarna ännu inte helt har definierat.
Mer än bara en ökning av energin
Enbart ökad energi räcker inte för att upprätthålla de fantastiska genombrott som NIF har gjort inom vetenskapen
Laserpulser varar bara några miljarddelar av en sekund, så extrem precision krävs för att uppnå önskat resultat.
För att uppnå detta mål slutförde teamet nyligen implementeringen av ett HiFiPS-system (High Fidelity Pulse Shaping).
Ett flerårigt projekt, HiFiPS möjliggör mer exakt och exakt pulsformning, vilket i sin tur möjliggör bättre kraftbalans och symmetrikontroll vid implosioner.
Dessutom renoverade teamet de optiska fibrerna i anläggningen för att göra dem mer toleranta mot upprepad neutronexponering. Dessa fibrer används för att noggrant mäta laserpulsen som levereras till målet.
Som ett direkt resultat av renoveringen ökade signalstyrkan med en faktor 10 till 100, och forskarna kunde fortsätta att noggrant 'observera' laserns prestanda.
Det är dock fortfarande en lång väg att gå från den nuvarande teknikens ståndpunkt till att förverkliga leveransen av fusionsenergi till nätet.
Även om NIF har den största lasern i världen idag, är systemet extremt ineffektivt, med mer än 99 % av energin i varje tändning förlorad innan den når sitt mål.
Och att utveckla ett mer effektivt lasersystem är ett nyckelmål för DOE:s nyligen lanserade Inertial Fusion Research Program.
Avdelningen meddelade nyligen att den kommer att investera 42 miljoner dollar under fyra år för att etablera tre nya forskningscentra för att arbeta tillsammans för att uppnå detta och andra vetenskapliga framsteg.
Vart och ett av dessa centra kommer att omfatta nationella laboratorier, universitetsforskare och industripartners.
Och en av de centrala figurerna i hela fusionsprogrammet, fysikern Annie Kritcher, har också lyckats ta sig in i Nature's Top 10 Science People of the Year.
År 2022 uppnådde Annie Kritcher ett mål vid National Ignition Facility (NIF) som hade varit svårfångade i laboratorier runt om i decennier och komprimerade atomer till en sådan extremitet att deras kärnor smälte samman och producerade mer energi än själva reaktionen förbrukade.
Men efter att ha nått denna experimentella milstolpe (dvs tändning), var teamet under press att upprepa prestationen.
Forskning med hög insats går sällan smidigt: teamet genomförde sin första replikering i juni, men resultaten var dåliga.
Som tur var lyckades det tredje försöket.
Den 30 juli avfyrade NIF:s 192-strålelaser 2,05 megajoule energi mot små sfärer av väteisotoperna deuterium och tritium suspenderade frusna i en guldcylinder.
Den resulterande implosionen fick isotoperna att frigöra energi när de smälte samman till helium och producerade temperaturer sex gånger högre än solens kärna.
I slutändan skapade dessa rekordstora 3,88 megajoule fusionsenergi.
När man tittade runt i världen hade inget laboratorium kunnat realisera en fusionsreaktion som producerar mer energi än den förbrukar tills NIF uppnådde denna bedrift.
Kritcher och hennes team utförde sedan framgångsrikt ytterligare två tändningar i oktober, vilket gjorde det totala antalet till fyra.
Kritcher började forska om fusionsenergi när hon var sommarpraktikant på Livermore 2004. Hon siktade snart in på NIF – en av få platser i världen där fusionsreaktioner kan studeras.
Sedan dess har hon lett ett team som analyserar experimentella data och använder datormodeller för att designa experiment – genom att justera parametrar som storleken och konfigurationen av målet samt energin och timingen för de olika laserstrålarna – för att uppnå och öka fusionsutbyten. När hennes team har slutfört designen tar experimentteamet över avfyrningen av lasrarna och samlar in data.
Processen har visat att Kritcher är exceptionell, och det ledde till att hon blev en av huvuddesignerna på NIF 2016.
Under de närmaste åren har Kritcher och hennes team hållit på med siffror och finjusterat utformningen av NIF:s huvudsakliga experimentella program. Samtidigt som de gjorde olika ändringar av målet använde teamet också olika förbättringar för att öka laserns totala energi. Resultatet är att kärnfusion förverkligas, allt oftare.
Med framgången med "Ignition" började Kritcher en ny serie experiment - ökade utbytet igen genom att leverera mer laserenergi till en tjockare målkapsel.
Och detta representerar ytterligare ett steg mot att uppnå tiotals terajoule eller till och med högre avkastning på NIF.
Controlled Fusion, den heliga gralen av ren energi
Enkelt uttryckt är kärnfusion den process genom vilken två lätta atomkärnor kombineras för att bilda en tyngre kärna och frigöra en enorm mängd energi.
Två väteatomer kolliderar och polymeriserar för att bilda en heliumatom, som har en något mindre massa än den ursprungliga väteatomen. Enligt Einsteins ikoniska E=mc² mass-energiekvation omvandlas denna massskillnad till en energiskur.
I solens kärna sker fusion av 620 miljoner ton väte varje sekund. Den producerade energin är källan till allt liv på jorden.
Men en av de stora utmaningarna med att utnyttja kärnfusion är hur man gör den energi som frigörs från fusionsreaktionen större än energitillförseln och gör processen hållbar.
NIF-tändningsprincipen
På 1960-talet antog en grupp banbrytande forskare vid LLNL att lasrar kunde användas för att inducera kärnfusion i laboratoriemiljö.
Denna revolutionära idé utvecklades sedan till tröghetsinneslutningsfusion under ledning av fysikern John Nuckolls.
För att förverkliga detta koncept byggde LLNL en serie av allt kraftfullare lasersystem, som kulminerade i världens största och mest energiska NIF.
I experimentet efterliknade lasrarna förhållandena i solens mitt genom att smälta samman tunga väteisotoper, deuterium och tritium, till helium.
Först placerades ett antal vätepellets i en anordning lika stor som ett pepparkorn, och sedan användes en kraftfull 192-strålelaser för att värma och komprimera vätebränslet.
Lasrarna, när de kommer in i torusen, träffar innerväggarna och får dem att avge röntgenstrålar, som sedan kan värma den upp till 100 miljoner grader Celsius - varmare än solens centrum - och komprimera den till mer än 100 miljarder gånger jordens atmosfärstryck.
Högenergilasrar skulle plasmaisera klumpens yta, och resten av det centrala materialet, driven av Newtons tredje lag, skulle så småningom kollapsa mot mitten och implodera.
Vid tidpunkten för implosionen kan en kedjereaktion - eller "antändning" - uppstå om rätt mängd värme och tryck appliceras på bränslepelleten, som då frigör en stor mängd energi.
Tekniska underverk
National Ignition Facility (NIF), som gör allt ovanstående möjligt, är också en anmärkningsvärd prestation inom teknik och teknik.
Materialforskare och laserfysiker arbetade med ingenjörer för att designa en anläggning som innehöll 7 500 stor optik, 26,000 liten optik och mer än 66,000 kontrollpunkter.
Denna optik och andra komponenter finns i cirka 6 200 komplexa modulära enheter som kallas Line Replaceable Units (LRUs). De kan snabbt bytas ut vid behov för att säkerställa kontinuerlig drift av anläggningen.
NIF-laserpulsen färdas en kilometer och tar 4,5 mikrosekunder från den initiala pulsbildningen i huvudoscillatorkammaren tills den når målet. Tidsskillnaden för att nå mitten av målkammaren är 30 pikosekunder med en noggrannhet på 50 mikron.
Att uppnå denna typ av pekstabilitet och absolut noggrannhet på målet är en enorm ingenjörsutmaning, som kräver stenhård stabilitet hos det optiska stödsystemet, exakt positionering och inriktning av komponenterna och ett rigoröst noggrant datoriserat tidsystem.
För att möta dessa utmaningar designades alla strukturer som stöder NIF-speglarna och linserna med extrem stabilitet i åtanke.
Ingenjörsteamet beräknade noggrant de möjliga effekterna på laserkomponenterna, vanligtvis laserspeglarna, för alla vibrationskällor inklusive pumpar, motorer och transformatorer.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) och drift (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Dessutom, för att säkerställa att strållinjekomponenterna inte påverkade laserhöjden, använde teamet precisionsmättekniker, vilket resulterade i ett rigoröst mätnätverk och kontrollerad fysisk placering av alla strållinjekomponenter. Positionerna för alla balkhus, stödsystem och målkammare var exakta till en kvarts millimeter.
Denna information lämnades sedan till konstruktionsteamet, som konstruerade konstruktionen med både tillräcklig styvhet och dämpning så att konstruktionens svar på markvibrationer och förväntade vibrationer från anläggningsutrustningen uppfyllde de övergripande stabilitetskraven.
Att säkerställa att alla 192 laserstrålar anlände inom de angivna 30 pikosekunderna uppnåddes genom ett precisionstidsystem som använder ett GPS-satellitsystem som ständigt uppdaterar den interna klockan. Integrerad mjukvara och hårdvara övervakar och uppdaterar ständigt timingen för att bibehålla noggrannheten.
Varje mekaniskt gränssnitt är utformat för bättre än 300 femtosekunders (tre biljondelar av en sekund) tolerans, så LRU:er kan ändras när som helst för att bibehålla timingnoggrannheten. Dessutom upprätthåller ett hårt kontrollerat program systemtiming för varje LRU.
Även om vi inte riktigt kan tillämpa kärnfusion på kraftgenerering med den här enheten ännu.
Men i en skala av 60 år har mänskligheten gjort ett stort genombrott.
För framtiden kanske vi också kan hålla mer fantasi.
