Selama 75 tahun, ia telah menjadi impian untuk menghasilkan semula gabungan seperti solar di Bumi. Pasukan saintis dan jurutera di seluruh dunia telah membelanjakan berpuluh-puluh bilion dolar untuk pelbagai kaedah gabungan, tetapi telah lama bergelut untuk mencapai pencapaian "pendapatan tenaga bersih".
Namun, sehingga setahun yang lalu, semuanya berubah.
Pada 5 Disember 2022, di National Ignition Facility (NIF) di Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), laser terbesar dan bertenaga tertinggi di dunia menembak 192 pancaran laser dan menghalakannya ke sasaran sebesar biji lada, menghasilkan "matahari" kecil. " di bumi. Selepas menembak 2.05 megajoule tenaga laser pada sasaran, eksperimen menghasilkan lebih banyak tenaga gabungan daripada yang diperlukan untuk menyalakan bahan api gabungan dengan menjana 3.15 megajoule pengeluaran tenaga - satu kejayaan saintifik utama dalam beberapa dekad.
Melanggar Had Tenaga Laser Sekali lagi
Alhamdulillah, National Ignition Facility (NIF) di Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) di Amerika Syarikat baru-baru ini mencipta satu lagi rekod baharu untuk tenaga laser - memancarkan 2.2 megajoule (MJ) buat kali pertama pada sasaran pencucuhan.
Percubaan yang baru dilaporkan, dijalankan pada 30 Oktober, menghasilkan 3.4 MJ tenaga gabungan, mencapai pencucuhan, dan menghasilkan hasil neutron kedua tertinggi pernah di NIF.
Gordon Brunton, pengarah National Ignition Facility (NIF), berkata, "Tahap rekod tenaga laser ini merupakan pencapaian luar biasa yang mengambil masa bertahun-tahun kerja keras untuk dicapai. Dan ia menandakan demonstrasi pencucuhan gabungan yang berjaya keempat kami di NIF. Kerja ini adalah asas kepada misi Makmal, dengan keupayaan baharu yang boleh menyokong Program Pengawasan Stok Pentadbiran Keselamatan Nuklear Kebangsaan dan diharapkan membawa kita lebih dekat dengan masa depan tenaga gabungan."
Pada 5 Disember 2022, LLNL mencapai pencucuhan gabungan buat kali pertama. Kali kedua ialah pada 30 Julai 2023, apabila laser NIF menghantar 2.05 megajoule tenaga kepada sasaran dalam percubaan pelakuran terkawal, menghasilkan output tenaga gabungan sebanyak 3.88 megajoule, keuntungan tenaga tertinggi yang dicapai setakat ini. Kali ketiga Laser NIF mencapai pencucuhan pelakuran adalah pada 8 Oktober 2023, dengan tenaga laser sebanyak 1.9 MJ dan output tenaga gabungan sebanyak 2.4 MJ.
Kemajuan utama dalam pelakuran nuklear
"Kami berada pada keluk pertumbuhan prestasi yang curam," kata Jean-Michel Di Nicola, pengarah projek bersama NIF dan Organisasi Kejuruteraan Sains Laser Sains dan Sistem Foton, "Meningkatkan tenaga laser memberi kami lebih banyak kelonggaran untuk menangani isu seperti bahan api kecacatan kapsul atau asimetri hotspot bahan api. Tenaga laser yang lebih tinggi membantu mencapai letupan yang lebih stabil, yang seterusnya membawa kepada hasil tenaga yang lebih tinggi."
Tidak ada keraguan tentang keupayaan laser untuk menyampaikan tenaga sebanyak ini. Dan cabarannya ialah untuk melindungi optik berharga NIF daripada kerosakan serpihan, kata Bruno Van Wonterghem, pengurus operasi di NIF: "Laser itu sendiri mampu menjana tenaga yang lebih tinggi tanpa membuat perubahan asas kepada laser. Kami melakukan semua ini untuk memaksimumkan kawalan kerosakan. Lagipun, jika terdapat terlalu banyak tenaga tanpa perlindungan yang betul, optik anda boleh hancur berkeping-keping."
NIF menguruskan satu-satunya sistem laser di dunia yang beroperasi di atas ambang kerosakan, satu pencapaian yang dimungkinkan sebahagiannya oleh apa yang dikenali sebagai Gelung Kitar Semula Optik.
Laser yang lebih kuat, prestasi yang lebih baik
Dua langkah mitigasi utama, yang disiapkan pada Jun 2023, adalah penting untuk menyampaikan 2.2 MJ tenaga laser kepada sasaran - penggunaan pelindung serpihan silika bercantum pada dua pertiga daripada garis rasuk NIF dan pemasangan pelindung logam pada 32 garis sinar hemisfera bawah , yang, bergantung pada garis pancaran, telah mengurangkan kadar kerosakan akibat serpihan dengan faktor dikurangkan dengan faktor 10-100. Optik garis pancaran bawah ini menerima paling banyak serpihan dari ruang sasaran akibat graviti.
Penambahbaikan lain termasuk salutan anti-reflektif baharu, rawatan wap hexamethyldiazepane (HMDS), dan peningkatan kapasiti gelung pemulihan optik. Ejen pengurangan baharu - penyekat pinggir kelabu - menyelesaikan masalah yang belum dikenal pasti oleh saintis.
"Terdapat subset rasuk yang tidak berprestasi sebaik yang lain, " kata Di Nicola, "dan kami mendapati bahawa jika kami mengurangkan ketumpatan tenaga laser secara radikal dengan mengeluarkan bayang pada satu tepi garis pancaran, garis pancaran tersebut berprestasi lebih baik. . Kami masih tidak pasti apa punca masalah itu, tetapi kami akan menyiasat perkara ini secara aktif pada masa hadapan."
Penyelesaian misteri itu datang secara semula jadi kepada saintis dan jurutera yang bekerja pada sistem laser paling bertenaga di dunia, NIF, dan Ketua Perwakilan OMST Tayyab Suratwala berkata, "Kami telah meneliti kerosakan laser dan mengenal pasti langkah-langkah mitigasi telah dimodelkan dan diuji. Bagaimanapun, setiap apabila kita meningkatkan tenaga laser, kita memasuki wilayah yang belum pernah terjadi sebelumnya dan mendedahkan mekanisme kerosakan baharu."
Lebih banyak tenaga sahaja tidak mencukupi untuk mengekalkan rekod penemuan saintifik Institut Sains Negara yang luar biasa. Di Nicola: "Anda perlu mengayunkan tukul yang lebih besar itu dengan kawalan dan kemahiran. Nadi laser hanya bertahan satu bilion saat, jadi anda perlu menjadi sangat tepat untuk mendapatkannya dengan betul."
Untuk tujuan itu, pasukan baru-baru ini telah menyempurnakan penggunaan sistem Pembentukan Nadi Kesetiaan Tinggi (HiFiPS), yang membolehkan pembentukan nadi yang lebih tepat dan tepat.HiFiPS ialah projek bertahun-tahun dalam pembikinan yang membolehkan imbangan kuasa dan kawalan simetri yang lebih baik dalam letupan.
Dalam satu lagi penambahbaikan, pasukan itu memperbaharui gentian optik peranti untuk menjadikannya lebih berdaya tahan terhadap pendedahan neutron berulang. Gentian ini digunakan untuk mengukur dengan tepat denyutan laser yang dihantar ke sasaran. Pengubahsuaian meningkatkan kekuatan isyarat sebanyak 10-100, membolehkan penyelidik terus "melihat" prestasi laser.
Apakah harapan untuk masa depan?
Pada masa ini, laser telah menyampaikan 2.2 megajoule tenaga laser. Pasukan itu kembali ke peringkat penyelidikan dan menjalankan proses yang sama selepas eksperimen pertama yang menghasilkan pencucuhan gabungan.
Kami sedang melihat pada optik, menilai kerosakan, dan memahami berapa kerap kami boleh menggunakan keupayaan baharu ini," kata Suratwala. Sementara itu, kami meraikan pencapaian besar ini. Ia adalah hasil kerja keras selama bertahun-tahun oleh pihak yang besar. pasukan dalam LLNL dan banyak rakan kongsi luar."
