75 yıldır Dünya'da güneşe benzer bir füzyonun yeniden üretilmesi hayaliydi. Dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları ve mühendislerden oluşan ekipler, çeşitli füzyon yöntemlerine on milyarlarca dolar harcadı, ancak "net enerji kazancı" kilometre taşına ulaşmak için uzun süre çabaladılar.
Ancak bir yıl öncesine kadar her şey değişti.
5 Aralık 2022'de, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki (LLNL) Ulusal Ateşleme Tesisi'nde (NIF), dünyanın en büyük ve en yüksek enerjili lazeri, 192 lazer ışınını ateşledi ve bunları karabiber büyüklüğünde bir hedefe doğrultarak küçük bir "güneş" yarattı. " Yeryüzünde. Hedefe 2,05 megajoule lazer enerjisi ateşlendikten sonra deney, 3,15 megajoule enerji çıkışı üreterek füzyon yakıtını ateşlemek için gerekenden daha fazla füzyon enerjisi üretti; bu onlarca yıldır büyük bir bilimsel atılımdır.
Lazer Enerji Sınırını Tekrar Kırıyoruz
Ne mutlu ki, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndaki (LLNL) Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF), yakın zamanda bir ateşleme hedefinde ilk kez 2,2 megajoule (MJ) yayan lazer enerjisi için yeni bir rekor daha kırdı.
30 Ekim'de gerçekleştirilen yeni bildirilen deney, 3,4 MJ füzyon enerjisi üretti, ateşlemeyi sağladı ve NIF'de şimdiye kadarki en yüksek ikinci nötron verimini üretti.
Ulusal Ateşleme Tesisi (NIF) müdürü Gordon Brunton şunları söyledi: "Bu rekor seviyedeki lazer enerjisi, elde edilmesi yıllar süren sıkı çalışma gerektiren inanılmaz bir başarıdır. Ve bu, NIF'de füzyon ateşlemesine ilişkin dördüncü başarılı gösterimimizi işaret ediyor. Bu çalışma Ulusal Nükleer Güvenlik İdaresi'nin Stok Sahası Yönetim Programını destekleyebilecek ve bizi füzyon enerjisinin geleceğine yaklaştıracağını umduğumuz yeni yeteneklere sahip olması, Laboratuvarın misyonunun temelidir."
5 Aralık 2022'de LLNL ilk kez füzyon ateşlemesini gerçekleştirdi. İkinci sefer, 30 Temmuz 2023'te, NIF lazer kontrollü bir füzyon deneyinde hedefe 2,05 megajoule enerji ilettiğinde, 3,88 megajoule'lük bir füzyon enerjisi çıktısı ürettiğinde, bugüne kadar elde edilen en yüksek enerji kazanımı gerçekleşti. NIF lazer, 1,9 MJ lazer enerjisi ve 2,4 MJ füzyon enerjisi çıkışıyla 8 Ekim 2023'te füzyon ateşlemesini gerçekleştirdi.
Nükleer füzyondaki önemli gelişmeler
NIF ve Foton Bilimi Lazer Bilimi ve Sistem Mühendisliği Organizasyonu'nun ortak proje direktörü Jean-Michel Di Nicola, "Dik bir performans büyüme eğrisi üzerindeyiz" dedi ve şöyle devam etti: "Lazer enerjisini artırmak, yakıt gibi sorunları çözmek için bize daha fazla hareket alanı sağlıyor. kapsül kusurları veya yakıt sıcak nokta asimetrileri. Daha yüksek lazer enerjileri, daha kararlı patlamaların elde edilmesine yardımcı olur ve bu da daha yüksek enerji verimine yol açar."
Lazerin bu kadar enerjiyi iletme yeteneğinden şüphe yoktur. NIF operasyon müdürü Bruno Van Wonterghem, zorlu görevin NIF'in değerli optiklerini enkaz hasarından korumak olduğunu söylüyor: "Lazerin kendisi, lazerde temel değişiklikler yapmadan daha yüksek enerjiler üretme kapasitesine sahiptir. Tüm bunları hasar kontrolünü en üst düzeye çıkarmak için yapıyoruz. Sonuçta, uygun koruma olmadan çok fazla enerji varsa, optikleriniz paramparça olabilir."
NIF, dünyadaki hasar eşiğinin üzerinde çalışan tek lazer sistemini yönetiyor; bu, kısmen Optik Geri Dönüşüm Döngüsü olarak bilinen şeyin mümkün kıldığı bir başarı.
Daha güçlü lazerler, daha iyi performans
Haziran 2023'te tamamlanan iki büyük hafifletme önlemi, hedefe 2,2 MJ lazer enerjisi sağlamak için kritik öneme sahipti: NIF'nin ışın hatlarının üçte ikisinde erimiş silika enkaz korumasının kullanılması ve 32 alt yarıküre ışın hattına metal koruma kurulumu. ki bu, ışın hattına bağlı olarak enkaz kaynaklı hasar oranını 10-100 faktörü kadar azaltmıştır. Bu alt ışın hattı optikleri, yerçekimi nedeniyle hedef odadan en fazla pisliği alır.
Diğer iyileştirmeler arasında yeni yansıma önleyici kaplamalar, buhar heksametildiazepan (HMDS) işlemi ve optik kurtarma döngüsünün artırılmış kapasitesi yer alıyor. Yeni bir hafifletici madde (gri kenar engelleyici), bilim adamlarının henüz tespit edemediği bir sorunu çözüyor.
Di Nicola şöyle diyor: "Diğerleri kadar iyi performans göstermeyen bir ışın alt kümesi var ve ışın çizgisinin bir kenarına gölge düşürerek lazer enerjisi yoğunluğunu radikal bir şekilde azaltırsak, bu ışın çizgilerinin daha iyi performans gösterdiğini gördük." Sorunun temel nedeninin ne olduğundan hala tam olarak emin değiliz, ancak gelecekte bunu aktif olarak araştıracağız."
Gizemi çözmek, dünyanın en enerjik lazer sistemi olan NIF ve OMST Baş Temsilcisi Tayyab Suratwala üzerinde çalışan bilim adamlarının ve mühendislerin aklına doğal olarak geldi: "Lazer hasarını inceledik ve azaltıcı önlemlerin modellenip test edildiğini belirledik. Ancak her biri, Lazer enerjisini arttırdığımızda benzeri görülmemiş bir alana giriyoruz ve yeni hasar mekanizmalarını ortaya çıkarıyoruz."
Ulusal Bilim Enstitüsü'nün inanılmaz bilimsel atılımlar kaydını sürdürmek için daha fazla enerji tek başına yeterli değildir. Di Nicola: "O büyük çekici kontrol ve beceriyle sallamanız gerekir. Lazer darbesi yalnızca saniyenin milyarda biri kadar sürer, bu nedenle doğru yapmak için çok hassas olun."
Bu amaçla ekip, yakın zamanda daha hassas ve doğru darbe şekillendirmeyi mümkün kılan Yüksek Hassasiyetli Darbe Şekillendirme (HiFiPS) sisteminin kurulumunu tamamladı. HiFiPS, patlamalarda daha iyi güç dengesi ve simetrik kontrol sağlayan, yıllardır üzerinde çalışılan bir projedir.
Başka bir gelişme olarak ekip, cihazın optik fiberlerini, tekrarlanan nötron maruziyetine karşı daha dayanıklı hale getirecek şekilde yeniledi. Bu fiberler hedefe iletilen lazer darbelerini doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır. Yenileme, sinyal gücünü 10-100 kat artırdı ve araştırmacıların lazerin performansını "görmeye" devam etmesine olanak sağladı.
Geleceğe dair umutlar neler?
Şu anda lazer 2,2 megajoule lazer enerjisi sağlıyor. Ekip, füzyon ateşlemesini üreten ilk deneyin ardından araştırma aşamasına geri döndü ve aynı işlemi gerçekleştirdi.
Optiklere bakıyoruz, hasarı değerlendiriyoruz ve bu yeni yeteneği ne sıklıkla kullanabileceğimizi anlıyoruz" dedi Suratwala. Bu arada bu büyük başarıyı kutluyoruz. Bu, büyük bir ekibin yıllar süren sıkı çalışmasının sonucudur. LLNL içindeki ekip ve birçok dış ortak."
