Jau 75 metus buvo svajonė atkurti į saulės energiją panašią sintezę Žemėje. Mokslininkų ir inžinierių komandos visame pasaulyje išleido dešimtis milijardų dolerių įvairiems sintezės būdams, tačiau ilgai stengėsi pasiekti „grynojo energijos padidėjimo“ etapą.
Tačiau prieš metus viskas pasikeitė.
2022 m. gruodžio 5 d., Lawrence'o Livermore'o nacionalinėje laboratorijoje (LLNL) esančioje Nacionalinėje uždegimo įstaigoje (NIF), didžiausias pasaulyje ir didžiausios energijos lazeris iššovė 192 lazerio spindulius ir nukreipė juos į pipiro grūdelio dydžio taikinį, sukurdamas mažytę „saulę“. " žemėje. Į taikinį paleidus 2,05 megadžaulio lazerio energijos, eksperimento metu buvo pagaminta daugiau sintezės energijos, nei reikia sintezės kurui uždegti, generuojant 3,15 megadžaulio energijos – tai didelis mokslo laimėjimas per dešimtmečius.
Vėl peržengiate lazerio energijos ribą
Džiugu, kad JAV Lawrence'o Livermore'o nacionalinėje laboratorijoje (LLNL) esanti Nacionalinė uždegimo įstaiga (NIF) neseniai pasiekė dar vieną naują lazerio energijos rekordą – pirmą kartą į uždegimo taikinį išspinduliavo 2,2 megadžaulio (MJ).
Naujai praneštas eksperimentas, atliktas spalio 30 d., pagamino 3,4 MJ sintezės energijos, pasiekė užsidegimą ir davė antrą didžiausią neutronų išeigą NIF.
Gordonas Bruntonas, Nacionalinės uždegimo infrastruktūros (NIF) direktorius, sakė: "Šis rekordinis lazerio energijos lygis yra neįtikėtinas pasiekimas, kuriam pasiekti prireikė daug metų sunkaus darbo. Tai yra mūsų ketvirtasis sėkmingas sintezės uždegimo demonstravimas NIF. Šis darbas yra esminė laboratorijos misija, turinti naujų galimybių, kurios gali paremti Nacionalinės branduolinio saugumo administracijos atsargų valdymo programą ir, tikimės, priartins mus prie sintezės energijos ateities.
2022 m. gruodžio 5 d. LLNL pirmą kartą pasiekė sintezės uždegimą. Antrą kartą 2023 m. liepos 30 d., kai NIF lazeris per kontroliuojamą branduolių sintezės eksperimentą taikiniui tiekė 2,05 megadžaulio energijos ir pagamino 3,88 megadžaulių sintezės energiją, o tai yra didžiausias iki šiol pasiektas energijos padidėjimas. NIF lazeriu pasiektas sintezės uždegimas įvyko 2023 m. spalio 8 d., kai lazerio energija buvo 1,9 MJ, o sintezės energija - 2,4 MJ.
Pagrindinės pažangos branduolių sintezės srityje
„Esame ant staigios veiklos augimo kreivės“, – sakė Jean-Michel Di Nicola, NIF ir „Photon Science“ lazerių mokslo ir sistemų inžinerijos organizacijos bendro projekto direktorius. kapsulės defektai ar degalų taško asimetrija. Didesnės lazerio energijos padeda pasiekti stabilesnių sprogimų, o tai savo ruožtu lemia didesnį energijos išeigą."
Nėra jokių abejonių dėl lazerio gebėjimo tiekti tiek energijos. O iššūkis yra apsaugoti brangią NIF optiką nuo šiukšlių, sako Bruno Van Wonterghem, NIF operacijų vadovas: „Pats lazeris gali generuoti didesnę energiją neatlikdamas esminių lazerio pakeitimų. Visa tai darome siekdami maksimaliai kontroliuoti žalą. Galų gale, jei be tinkamos apsaugos yra per daug energijos, jūsų optika gali būti sugadinta.
NIF valdo vienintelę lazerinę sistemą pasaulyje, kuri veikia virš žalos slenksčio, o tai iš dalies įmanoma dėl vadinamosios optinės perdirbimo kilpos.
Stipresni lazeriai, geresnis našumas
Dvi pagrindinės švelninimo priemonės, baigtos 2023 m. birželio mėn., buvo labai svarbios norint į taikinį tiekti 2,2 MJ lazerio energijos – dviejų trečdalių NIF spindulių linijų panaudojimas lydyto silicio dioksido nuolaužų ekranavimui ir metalinio ekranavimo įrengimas 32 apatinių pusrutulio spindulių linijose. , kuri, priklausomai nuo spindulio linijos, sumažino nuolaužų sukeltos žalos koeficientą 10-100 koeficientu. Ši apatinės šviesos linijos optika dėl gravitacijos gauna daugiausiai šiukšlių iš tikslinės kameros.
Kiti patobulinimai apima naujas antirefleksines dangas, apdorojimą garais heksametildiazepanu (HMDS) ir padidintą optinio atkūrimo kilpos pajėgumą. Nauja švelninanti priemonė – pilkų kraštų blokatorius – išsprendžia problemą, kurios mokslininkai dar nenustatė.
„Yra pogrupis pluoštų, kurie neveikia taip gerai, kaip kiti“, – sako Di Nicola, – ir mes nustatėme, kad jei radikaliai sumažinsime lazerio energijos tankį, mesdami šešėlį ant vieno spindulio linijos krašto, tos spindulių linijos veikia geriau. . Vis dar nesame visiškai tikri, kokia yra pagrindinė problemos priežastis, bet ateityje aktyviai tai tirsime.
Mokslininkams ir inžinieriams, dirbantiems su energingiausia pasaulyje lazerine sistema NIF, mįslę išsprendė natūraliai, o OMST vyriausiasis atstovas Tayyab Suratwala sakė: „Mes kruopščiai ištyrėme lazerio žalą ir nustatėme, kad mažinimo priemonės buvo sumodeliuotos ir išbandytos. Kai padidiname lazerio energiją, patenkame į neregėtą teritoriją ir atskleidžiame naujus žalos mechanizmus“.
Vien daugiau energijos nepakanka norint išlaikyti neįtikėtiną Nacionalinio mokslo instituto mokslo laimėjimų rekordą.Di Nicola: „Reikia valdyti tą didesnį plaktuką. Lazerio impulsas trunka tik milijardąją sekundės dalį, todėl jums reikia Būkite labai tikslūs, kad tai būtų teisinga."
Tuo tikslu komanda neseniai baigė diegti „High Fidelity Pulse Shaping“ (HiFiPS) sistemą, kuri įgalina tikslesnį ir tikslesnį impulsų formavimą. „HiFiPS“ yra daugelį metų kuriamas projektas, leidžiantis geriau balansuoti galią ir simetriškai valdyti sprogimus.
Kitame patobulinime komanda atnaujino įrenginio optinius pluoštus, kad jie būtų atsparesni pakartotiniam neutronų poveikiui. Šie pluoštai naudojami tiksliai išmatuoti lazerio impulsus, perduodamus į taikinį. Atnaujinus signalo stiprumą padidėjo 10-100 koeficientas, todėl mokslininkai galėjo toliau „matyti“ lazerio našumą.
Kokios ateities viltys?
Šiuo metu lazeris atnešė 2,2 megadžaulio lazerio energijos. Grupė grįžo į tyrimo etapą ir atliko tą patį procesą po pirmojo eksperimento, kurio metu buvo sukurtas sintezės uždegimas.
Mes žiūrime į optiką, vertiname žalą ir suprantame, kaip dažnai galime naudoti šią naują galimybę“, – sakė Suratwala. Tuo tarpu mes švenčiame šį svarbų pasiekimą. Tai daugelio metų sunkaus darbo rezultatas. komanda LLNL ir daugelis išorės partnerių“.
