Í 75 ár hefur það verið draumur að endurskapa sólarsamruna á jörðinni. Hópur vísindamanna og verkfræðinga um allan heim hafa eytt tugum milljarða dollara í ýmsar samrunaaðferðir, en hafa lengi átt í erfiðleikum með að ná „nettóorkuhagnaði“ áfanganum.
Þar til fyrir ári síðan breyttist þetta hins vegar allt.
Þann 5. desember 2022, á National Ignition Facility (NIF) við Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), skaut stærsti og orkuhæsti leysir heimsins 192 leysigeisla og beindi þeim að skotmarki á stærð við piparkorn og myndaði örlítið „sól“ " á jörðu. Eftir að hafa skotið 2,05 megajúlum af leysiorku á skotmarkið framleiddi tilraunin meiri samrunaorku en þarf til að kveikja í samrunaeldsneyti með því að framleiða 3,15 megajúl af orkuframleiðslu - mikil vísindaleg bylting í áratugi.
Að brjóta leysiorkumörkin aftur
Til allrar hamingju setti National Ignition Facility (NIF) við Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) í Bandaríkjunum nýlega annað nýtt met í leysiorku - sem sendir frá sér 2,2 megajúl (MJ) í fyrsta skipti á kveikjumarkmiði.
Tilraunin sem nýlega var tilkynnt, gerð 30. október, framleiddi 3,4 MJ af samrunaorku, náði íkveikju og framleiddi næsthæsta nifteindaafrakstur frá upphafi hjá NIF.
Gordon Brunton, forstjóri National Ignition Facility (NIF), sagði: "Þetta metstig í leysiorku er ótrúlegt afrek sem tók margra ára erfiði að ná. Og það markar fjórða árangursríka sýningu okkar á samrunakveikju hjá NIF. Þetta verk. er grundvallaratriði í hlutverki rannsóknarstofunnar, með nýjum getu sem getur stutt við birgðastjórnunaráætlun kjarnorkuöryggisstofnunar ríkisins og vonandi fært okkur nær framtíð samrunaorku.“
Þann 5. desember 2022 náði LLNL samrunakveikju í fyrsta skipti. Í seinna skiptið var 30. júlí 2023, þegar NIF leysirinn skilaði 2,05 megajólum af orku til marksins í stýrðri samrunatilraun, sem framleiddi samrunaorkuúttak upp á 3,88 megajúl, mesta orkuaukningu sem náðst hefur til þessa. Í þriðja skiptið sem NIF leysir náð samrunakveikju var 8. október 2023, með leysiorku upp á 1,9 MJ og samrunaorku framleiðsla upp á 2,4 MJ.
Helstu framfarir í kjarnorkusamruna
„Við erum á bröttum vaxtarferli,“ sagði Jean-Michel Di Nicola, sameiginlegur verkefnisstjóri NIF og Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization, „Að auka leysiorkuna gefur okkur meira svigrúm til að takast á við málefni eins og eldsneyti. hylkisgalla eða ósamhverf eldsneytisheita reitsins. Hærri leysiorka hjálpar til við að ná stöðugri sprengingum, sem aftur leiða til meiri orkugjafa."
Það er enginn vafi á getu leysisins til að skila svona miklu orku. Og áskorunin er að vernda dýrmæta ljósfræði NIF fyrir skemmdum á rusli, segir Bruno Van Wonterghem, rekstrarstjóri hjá NIF: "Leisarinn sjálfur er fær um að búa til hærri orku án þess að gera grundvallarbreytingar á leysinum. Við gerum þetta allt til að hámarka skemmdastjórnun. Þegar öllu er á botninn hvolft, ef það er of mikil orka án viðeigandi verndar, getur ljósfræði þín verið sprengd í mola.“
NIF hefur umsjón með eina leysikerfinu í heiminum sem starfar yfir skaðamörkum, afrek sem er gert mögulegt að hluta til með því sem er þekkt sem Optical Recycling Loop.
Sterkari leysir, betri árangur
Tvær stórar mótvægisaðgerðir, sem lokið var við í júní 2023, voru mikilvægar til að skila 2,2 MJ af leysiorku til marksins - notkun hlífðar á sameinuðu kísilrusli á tvo þriðju hluta geislalína NIF og uppsetning málmhlífar á 32 geislalínum á neðra hveli. , sem, allt eftir geislalínunni, hefur dregið úr hraða skemmda af völdum russ um stuðullinn minnkað um stuðulinn 10-100. Þessir neðri geislalínuljóstæki taka við mestu ruslinu frá markhólfinu vegna þyngdaraflsins.
Aðrar endurbætur fela í sér nýja endurskinshúð, gufuhexametýldíasepani (HMDS) meðferð og aukin getu sjónræna endurheimtarlykkju. Nýr mildandi efni - grábrún blokkari - leysir vandamál sem vísindamenn höfðu ekki enn greint.
„Það er til undirmengi geisla sem skila sér ekki eins vel og aðrir,“ segir Di Nicola, „og við komumst að því að ef við lækkum leysiorkuþéttleikann á róttækan hátt með því að varpa skugga á aðra brún geislalínunnar, skila þessar geislalínur sig betur. . Við erum enn ekki alveg viss um hver rót vandans er, en við munum rannsaka þetta með virkum hætti í framtíðinni.“
Að leysa ráðgátuna kom eðlilega fyrir vísindamenn og verkfræðinga sem vinna að öflugasta leysikerfi heims, NIF, og Tayyab Suratwala, aðalfulltrúi OMST, sagði: "Við höfum skoðað leysisskemmdirnar og bent á að mótvægisaðgerðirnar voru mótaðar og prófaðar. Hins vegar, hver Þegar við aukum leysiorkuna förum við inn á áður óþekkt landsvæði og afhjúpum nýjar skemmdir."
Meiri orka ein og sér er ekki nóg til að halda uppi ótrúlegu meti Vísindastofnunar um vísindalegar framfarir.Di Nicola: "Þú þarft að sveifla stærri hamrinum með stjórn og kunnáttu. Laserpúlsinn varir aðeins milljarðasta úr sekúndu, svo þú þarft að vertu mjög nákvæmur til að fá það rétt.“
Í því skyni lauk teymið nýlega við dreifingu á High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS) kerfinu, sem gerir nákvæmari og nákvæmari púlsmótun.HiFiPS er verkefni sem hefur verið í smíðum sem gerir betra kraftjafnvægi og samhverfa stjórn í sprengingum.
Í annarri endurbót endurnýjuði teymið ljósleiðara tækisins til að gera þá þolnari við endurtekna nifteindaútsetningu. Þessar trefjar eru notaðar til að mæla nákvæmlega leysipúlsana sem sendir eru til skotmarksins. Endurnýjunin jók merkisstyrkinn um 10-100 stuðul, sem gerir rannsakendum kleift að halda áfram að „sjá“ frammistöðu leysisins.
Hverjar eru vonir um framtíðina?
Eins og er hefur leysirinn skilað 2,2 megajólum af leysiorku. Hópurinn fór aftur á rannsóknarstigið og framkvæmdi sama ferli eftir fyrstu tilraunina sem framleiddi samrunakveikju.
Við erum að skoða ljósfræðina, meta skemmdirnar og skilja hversu oft við getum notað þessa nýju getu," sagði Suratwala. Í millitíðinni fögnum við þessu stóra afreki. Þetta er árangur margra ára mikillar vinnu stórs fólks. teymi innan LLNL og margra utanaðkomandi samstarfsaðila."
