2022 augusztusában, amikor a Lawrence Livermore National Lab (LLNL) National Ignition Facility (NIF) kutatócsoportja 1,9 MJ lézerenergiával 1,35 megajoule (MJ) fúziós energiát adott le, ez egy régóta várt-áttörés volt a fúziós tudományos áttörés előtt.
Ugyanebben az évben egy másik inerciális fúziós (más néven lézer- fúziós) kísérlet során a tudósok 3,15 MJ fúziós energiát értek el 2,05 MJ lézerenergiával, és elérték a gyulladást. Ez egy termonukleáris fúziós reakció volt, amelyet a laboratóriumban hoztak létre,-és elindította a globális versenyt a szén-mentes lézer-hajtású fúziós energia hálózatba helyezésére a 2030-as vagy 2040-es évekre.
"Ez volt a fordulópont, amikor a NIF először sikeresen megmutatta, hogy lehetséges az inerciális fúzió, és a kulcs a megfelelő fajta tüzelőanyag -deutérium-trícium-, valamint a lézerek használata annak tömörítésére és olvasztására, hogy nyereséget generáljanak (több energiát adnak ki, mint amennyit bevittek)" - mondja Arianna Gleason, az SLAC tudományos főosztályának igazgató-helyettese. "Olyan ez, mintha egy csillag üzemanyagát -csak a másodperc töredékéig tartaná fenn egy laboratóriumban."
2022 augusztusában, amikor a Lawrence Livermore National Lab (LLNL) National Ignition Facility (NIF) kutatócsoportja 1,9 MJ lézerenergiával 1,35 megajoule (MJ) fúziós energiát adott le, ez egy régóta várt-áttörés volt a fúziós tudományos áttörés előtt.
Ugyanebben az évben egy másik inerciális fúziós (más néven lézer- fúziós) kísérlet során a tudósok 3,15 MJ fúziós energiát értek el 2,05 MJ lézerenergiával, és elérték a gyulladást. Ez egy termonukleáris fúziós reakció volt, amelyet a laboratóriumban hoztak létre,-és elindította a globális versenyt a szén-mentes lézer-hajtású fúziós energia hálózatba helyezésére a 2030-as vagy 2040-es évekre.
"Ez volt a fordulópont, amikor a NIF először sikeresen megmutatta, hogy lehetséges az inerciális fúzió, és a kulcs a megfelelő fajta tüzelőanyag -deutérium-trícium-, valamint a lézerek használata annak tömörítésére és olvasztására, hogy nyereséget generáljanak (több energiát adnak ki, mint amennyit bevittek)" - mondja Arianna Gleason, az SLAC tudományos főosztályának igazgató-helyettese. "Olyan ez, mintha egy csillag üzemanyagát -csak a másodperc töredékéig tartaná fenn egy laboratóriumban."
A lézerarchitektúra fejlődik a fúzió terén
A NIF-et az 1990-es években építették, és az akkori lézertechnológiát használja. "Jelenleg sokkal hatékonyabban készítünk lézereket, mint az 1990-es években. Technológiánk olyan szintre fejlődött, hogy rendkívül hatékony lézereket állíthatunk elő a fúzióhoz szükséges -sok felvétel másodpercenkénti gyakorisággal" - mondja Glenzer. "Érdekes módon az iPhone-ok belsejében lévő mikrochipeket lézertechnológiával állítják elő, amely valójában a lézerfúziós programból származik. Ez volt a lézerfúzió első kereskedelmi sikere."
A fúziós közösségen belül a lézertechnológia lassan eltávolodik a régebbi architektúráktól, amelyek korábban működtek-a villanólámpa-pumpás vagy villanólámpa-alapú lézerek „nagyon erős igáslónak számítottak” – mondja Gleason. "De hatékonyabbra van szükségünk, ezért dióda{4}}szivattyúzott szilárdtestlézereket{5}} (DPSSL-eket) használunk."
Ez azt jelenti, hogy a DPSSL lézerek ellátási láncát ki kell építeni, mert mindenki az IFE szabványos lézerplatform felé halad a szükséges tesztek elvégzéséhez. "A fényszálas-lézerek a fény egyik helyről a másikra történő átvitelének egyik módja, amelyet a távközlés mindenütt használ, de mivel a fúziós közösség megpróbálja kihasználni a lézerarchitektúrák jelenlegi generációját, és nagyobb lézereket építünk, jobban oda kell figyelnünk a dolgok lehűlésére. Ez egy innovációs terület a vállalatok számára" - mondja Gleason.
Az excimer lézerek gázt használnak médiumként, és „a Védelmi Minisztériummal (DoD) erős múltra tekintenek vissza az irányított{0}energiájú fegyverek terén” – mondja Gleason. "Ez egyben a fúziós koncepció alapja is. Hatalmas előrelépés történt az excimer lézerekkel, amelyek több évtizedes fizikán és tanulmányokon nyugszanak. Haladunk afelé, hogy ilyen nagy teljesítményű lézerünk legyen-, talán kisebb méretben vagy jobb hatékonysággal. Hogyan lehet lehűteni egy ekkora lézerszerkezetet? Ezek azok a helyek, ahol a magáncégek kifejleszthetik saját titkos szószukat."
STARFIRE és RISE fúziós központok
A STARFIRE fúziós központját az LLNL vezeti a SLAC-val a lézer{0}}hajtású fúziós energia kereskedelmi forgalomba hozatalára. Fókuszában a nagy-nyereségcélú tervezések, a célgyártás és a DPSSL-ek állnak. Tagjai közé tartozik az MIT; Kaliforniai Egyetem, Berkeley; Kaliforniai Egyetem, Los Angeles; Kaliforniai Egyetem, San Diego; Oklahomai Egyetem; Rochesteri Egyetem; Texas A&M; Fraunhofer Lézertechnológiai Intézet; Livermore Lab Foundation; Oak Ridge Nemzeti Laboratórium; Savannah River Nemzeti Laboratórium; Focused Energy Inc.; Általános atomok; Leonardo Electronics US; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; és az Xcimer Energy Corp.
A csapat hozzáféréssel rendelkezik a SLAC lézerlaboratóriumaihoz, így lehetőségük van a Linac Coherent Light Source (LCLS) használatára, amely az egyetlen röntgensugármentes-elektronlézer az Egyesült Államokban (XFEL) a kapszula anyagok vagy a fúziós tüzelőanyag vizsgálatára és lekérdezésére. 120 Hz-en működik, de hamarosan megahertzben is működik.
"Egyszerre két lézert használunk az SLAC-ban végzett kísérleteinkben. Egy hosszú-impulzuslézer lökéshullámokat vezet a mintába, majd az LCLS segítségével megvizsgáljuk, mi történik a legapróbb hosszúságban és időskálán, hogy javítsuk fizikai modelljeinket" - mondja Gleason. "Összehasonlítanunk kell az almát az almával, hogy összehasonlíthassuk, helyes-e a fizikai modellünk. Nemcsak azt támasztja alá, hogy a nemzeti laboratóriumoknak mire van szükségük, hanem lehetőséget ad a magáncégeknek arra, hogy megjósolják, hogy koncepciójuk egy része működni fog-e vagy sem (például, hogyan szimulálják a célzott elkötelezettségüket). Ezeket a kritikus adatokat pedig a különböző lézer- és műszerplatformokhoz való hozzáférésünk révén biztosítjuk számukra."
Egy másik központot, a RISE-t a SLAC és a Colorado State University vezeti, és a Cornell Egyetem, az Illinoisi Egyetem, Texas A&M, a Los Alamos National Laboratory, a Haditengerészeti Kutatólaboratórium és magáncégek vesznek részt az -Xcimer Energy Corp., a Blue Laser Fusion, a Marvel Fusion és a General Atomics} lézer-illesztőprogramok különböző megközelítéseiben{{2}.
"Mindegyik hiteles megközelítést alkalmaz" - mondja Glenzer. "De ez nem olyan, mintha egy cég megpróbálná megvalósítani az egészet,{1}}ez egy közösség és egy országos fúziós központ. A kutatók próbálják továbbfejleszteni a technológiákat, mi pedig tanulunk egymástól, hogy a 2030-as évekre megpróbáljuk bezárni a kutatási és technológiai hiányosságokat."
Glenzert gyakran megkérdezik a befektetők, hogy melyik fúziós céget támogassa. „Néhány lézergyártó cég sokkal korábban tud pénzt keresni, ha lézereket szállít drónok lelövésére a védelmi téren belül” – mondja. "A befektetőknek azonban nem igazán tetszik az ötlet, mert olyan piacot akarnak, amely csak a fúziót és az elektromosságot szolgálja. Valójában azt akarják, hogy ezek a cégek fúziót hajtsanak végre, hogy eladhassák az áramot. Nagyon érdekes, hogy mennyire összpontosítanak a fúzió megvalósítására."
A fúziós közösség "nagyon tisztában van a fúziós vállalatok ellátási láncával szemben támasztott követelményekkel ahhoz, hogy ne csak demo-pilótaterveik elkészítéséhez, hanem hosszú távú reaktorflottájához is rendelkezzenek" - mondja Gleason. "Ez egy többirányú megközelítés abból a szempontból, hogy honnan tudjuk beszerezni a nyersanyagokat, majd a legyártott alkatrészeket az Egyesült Államokban, hogy létrehozzuk a hazai ellátási láncot. Ez kulcsfontosságú."
2030-as vagy 2040-es évek egy fúziós kísérleti üzem számára?
Az állami-magán társulások és a finanszírozás döntő fontosságú ahhoz, hogy a 2030-as években még a közelébe kerüljünk a lézer-vezérelt fúziós hálózatnak.
„A mi szerepünk elsősorban az, hogy támogassuk és megvetjük a fúziós iparnak/magánvállalatoknak szükséges kritikus technológiát” – mondja Gleason. "De egyes vállalatok azt mondják, hogy arra számítanak, hogy ez a 2030-as években lesz."
Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma a 2030-as éveket tűzte ki célul. „Ez azt jelenti, hogy a 2030-as évek közepéig be akarjuk küszöbölni az összes technológiai és kutatási technológiai hiányosságot, majd kísérleti üzemet építeni” – mondja Glenzer. "Ez valóban attól függ, hogy mennyi pénzt fektetnek be, de reális a kísérleti üzem a 2030-as évek végén vagy a 2040-es évek elején számítani."
