Cursa pentru energia de fuziune condusă de laser-se încălzește - Știri

În august 2022, când echipa de oameni de știință de la Instituția Națională de Aprindere (NIF) a Laboratorului Național Lawrence Livermore (LLNL) a tras un foc care a obținut un randament de 1,35 megajouli (MJ) de energie de fuziune cu 1,9 MJ de energie laser, a fost o-descoperire științifică a semnalului de fuziune mult așteptat.

Mai târziu în același an, în timpul unui alt experiment de fuziune inerțială (alias fuziunea cu laser-), oamenii de știință au obținut un randament de 3,15 MJ de energie de fuziune cu 2,05 MJ de energie laser și au obținut aprindere. A fost o reacție de fuziune termonucleară creată în laborator-și a declanșat o cursă globală de a pune în rețea energia de fuziune generată de laser-fără carbon- până în anii 2030 sau 2040.

„Acesta a fost un punct de cotitură atunci când NIF a arătat cu succes pentru prima dată că fuziunea inerțială era posibilă, iar cheia este să ai tipul potrivit de combustibil-deuteriu-tritiu-și folosirea laserelor pentru a-l comprima și a fuziona pentru a genera câștig (mai multă energie scoasă decât introdusă)", spune Arianna Gleason, director adjunct al departamentului de știință pentru energie al SLAC. „Este ca și cum ai menține combustibilul unei stele-doar pentru o fracțiune de secundă într-un laborator.”

Arhitectura laser avansează pentru fuziune

NIF a fost construit în anii 1990 și dispune de tehnologia laser a vremii. „Construim lasere mult mai eficient acum decât am făcut-o în anii 1990. Tehnologia noastră a avansat până la un punct în care putem avea lasere foarte eficiente la rate de repetiție de care avem nevoie pentru fuziune-multe cadre pe secundă”, spune Glenzer. „În mod interesant, microcipurile din interiorul iPhone-urilor sunt produse cu tehnologie laser care a ieșit de fapt din programul de fuziune cu laser. A fost primul succes comercial al fuziunii cu laser”.

În cadrul comunității de fuziune, tehnologia laser se îndepărtează încet de arhitecturile mai vechi care au funcționat în trecut-lampile cu lampă-pompată sau cu lampă-laserele au fost „un cal de bătaie foarte puternic”, spune Gleason. „Dar avem nevoie de altele mai eficiente, așa că folosim lasere cu stare solidă cu diode-pompate-(DPSSL).”

Aceasta înseamnă că lanțul de aprovizionare pentru laserele DPSSL trebuie construit, deoarece toată lumea se îndreaptă către platforma laser standard IFE pentru testele necesare. „Laserele cu fibră-cuplate sunt o metodă de a muta lumina dintr-o locație în alta, folosită omniprezent de telecomunicații, dar pe măsură ce comunitatea de fuziune încearcă să profite de generația actuală de arhitecturi laser și construim lasere mai mari, trebuie să fim mai atenți la modul în care lucrurile se răcesc. Este un spațiu de inovație pentru companii”, spune Gleason.

Laserele cu excimeri folosesc gaz ca mediu și „au o istorie puternică cu Departamentul de Apărare (DoD) pentru arme cu energie dirijată-”, spune Gleason. "Este, de asemenea, baza unui concept de fuziune. Se fac progrese mari cu laserele cu excimeri, care se bazează pe zeci de ani de fizică și studii. Facem progrese pentru a avea un laser atât de puternic-poate într-o amprentă mai mică sau cu o eficiență mai bună. Cum să răcești o structură laser atât de mare? Acestea sunt locurile în care companiile private își pot dezvolta propriul sos secret."

Butuci de fuziune STARFIRE și RISE

Hub-ul de fuziune STARFIRE este condus de LLNL, împreună cu SLAC, pentru a comercializa energia de fuziune generată de laser-. Se concentrează pe proiectele țintă-cu câștig ridicat, producția țintă și DPSSL-uri. Membrii includ MIT; Universitatea din California, Berkeley; Universitatea din California, Los Angeles; Universitatea din California, San Diego; Universitatea din Oklahoma; Universitatea din Rochester; Texas A&M; Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laserului; Fundația Livermore Lab; Laboratorul Național Oak Ridge; Laboratorul Național Râul Savannah; Focused Energy Inc.; Atomică generală; Leonardo Electronics SUA; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; și Xcimer Energy Corp.

Echipa are acces la laboratoarele cu laser de la SLAC, așa că au ocazia să utilizeze Linac Coherent Light Source (LCLS), singurul laser cu electroni liberi-x-x (XFEL) din SUA, pentru a sonda și a interoga materialele capsulei sau combustibilul de fuziune. Funcționează la 120 Hz, dar în curând va funcționa în megaherți.

„Folosim două lasere simultan în experimentele noastre de la SLAC. Un laser cu puls lung-conduce unde de șoc în eșantion, apoi îl analizăm cu LCLS pentru a vedea ce se întâmplă la cele mai mici scări de lungime și de timp pentru a îmbunătăți modelele noastre fizice”, spune Gleason. „Trebuie să comparăm mere cu mere pentru a evalua dacă modelul nostru de fizică este corect. Ea susține nu numai ceea ce au nevoie laboratoarele naționale, ci oferă și companiilor private o modalitate de a prezice dacă o parte a conceptului lor va funcționa sau nu (de exemplu, modul în care își simulează implicarea țintă). Și le oferim aceste date critice prin folosirea accesului nostru la diferite platforme laser și instrumente.”

Un alt hub, RISE, este condus de SLAC și Colorado State University și implică experți de la Universitatea Cornell, Universitatea din Illinois, Texas A&M, Laboratorul Național Los Alamos, Laboratorul de Cercetare Navală și companii private-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion și General Atomics-care lucrează la diferite abordări ale unui driver laser.

„Toți au o abordare credibilă”, spune Glenzer. „Dar nu este ca o companie să încerce să facă totul să se întâmple-aceasta este o comunitate și un centru de fuziune la nivel național. Cercetătorii încearcă să avanseze tehnologiile și învățăm unii de la alții pentru a încerca să reducem decalajele de cercetare și tehnologie până în anii 2030.”

Glenzer este adesea întrebat de către investitori ce companie de fuziune să susțină. „Unele companii de lasere pot face bani mult mai devreme prin livrarea de lasere pentru a doborî drone în spațiul de apărare”, spune el. "Dar investitorilor nu prea le place ideea pentru că vor o piață care să servească doar fuziunea și electricitatea. De fapt, vor ca aceste companii să facă fuziune, astfel încât să poată vinde energie electrică. Este foarte interesant cât de concentrați sunt pe realizarea fuziunii."

Comunitatea de fuziune este „foarte conștientă de cerințele lanțului de aprovizionare pentru companiile de fuziune pentru a avea resursele nu numai pentru a-și construi planurile pilot demonstrative, ci apoi să aibă o flotă de reactoare-pe termen lung”, spune Gleason. „Este o abordare pe mai multe direcții în ceea ce privește locul în care putem aproviziona cu materii prime și apoi să fabricăm componente în SUA, pentru a stabili un lanț de aprovizionare intern. Acesta este cheia”.

Anii 2030 sau 2040 pentru o centrală pilot de fuziune?

Parteneriatele public-private și finanțarea sunt esențiale pentru a fi chiar aproape de introducerea în rețea a fuziunii bazate pe laser-în anii 2030.

„Rolul nostru este în primul rând de a sprijini și de a elimina tehnologia critică de care industria de fuziune/companiile private au nevoie”, spune Gleason. „Dar unele companii spun că se așteaptă să fie în anii 2030”.

Departamentul de Energie al SUA a stabilit un obiectiv pentru anii 2030. „Înseamnă că vrem să închidem toate lacunele tehnologice și de cercetare, unele până la mijlocul anilor 2030, și apoi să construim o fabrică pilot”, spune Glenzer. „Depinde cu adevărat de câți bani sunt investiți, dar este realist să ne așteptăm la o fabrică pilot la sfârșitul anilor 2030 sau începutul anilor 2040”.