המירוץ אחר לייזר-אנרגיית פיוז'ן מתחממת

באוגוסט 2022, כאשר צוות המדענים במכון ההצתה הלאומי (NIF) של לורנס ליברמור הלאומי (LLNL) ירה ירייה שהשיגה תפוקה של 1.35 מגה ג'אול (MJ) של אנרגיית היתוך עם 1.9 MJ של אנרגיית לייזר, זה היה פריצת איתות של צריבה - אשר חיכה לה.

מאוחר יותר באותה שנה במהלך ניסוי נוסף של היתוך אינרציאלי (המכונה היתוך-מונע בלייזר), מדענים השיגו תפוקה של 3.15 MJ של אנרגיית היתוך עם 2.05 MJ של אנרגיית לייזר והגיעו להצתה. זו הייתה תגובת היתוך תרמו-גרעיני שנוצרה בתוך המעבדה-והיא התחילה במרוץ עולמי להכנסת אנרגיית היתוך מונעת בלייזר-מפחמן על הרשת עד שנות ה-2030 או ה-2040.

"זו הייתה נקודת מפנה כאשר NIF הראתה בהצלחה לראשונה שהיתוך אינרציאלי אפשרי, והמפתח הוא לקבל את הסוג הנכון של דלק-דויטריום-טריטיום-ושימוש בלייזרים כדי לדחוס ולהתיך אותו כדי לייצר רווח (יותר אנרגיה יוצאת מאשר מוכנסת)," אומרת אריאנה גליסון, מדענית צוות וסגנית מנהלת חטיבת האנרגיה הגבוהה של DenSLAC. "זה כמו להחזיק את הדלק של כוכב-רק לשבריר שנייה בתוך מעבדה."

באוגוסט 2022, כאשר צוות המדענים במכון ההצתה הלאומי (NIF) של לורנס ליברמור הלאומי (LLNL) ירה ירייה שהשיגה תפוקה של 1.35 מגה ג'אול (MJ) של אנרגיית היתוך עם 1.9 MJ של אנרגיית לייזר, זה היה פריצת איתות של צריבה - אשר חיכה לה.

מאוחר יותר באותה שנה במהלך ניסוי נוסף של היתוך אינרציאלי (המכונה היתוך-מונע בלייזר), מדענים השיגו תפוקה של 3.15 MJ של אנרגיית היתוך עם 2.05 MJ של אנרגיית לייזר והגיעו להצתה. זו הייתה תגובת היתוך תרמו-גרעיני שנוצרה בתוך המעבדה-והיא התחילה במרוץ עולמי להכנסת אנרגיית היתוך מונעת בלייזר-מפחמן על הרשת עד שנות ה-2030 או ה-2040.

"זו הייתה נקודת מפנה כאשר NIF הראתה בהצלחה לראשונה שהיתוך אינרציאלי אפשרי, והמפתח הוא לקבל את הסוג הנכון של דלק-דויטריום-טריטיום-ושימוש בלייזרים כדי לדחוס ולהתיך אותו כדי לייצר רווח (יותר אנרגיה יוצאת מאשר מוכנסת)," אומרת אריאנה גליסון, מדענית צוות וסגנית מנהלת חטיבת האנרגיה הגבוהה של DenSLAC. "זה כמו להחזיק את הדלק של כוכב-רק לשבריר שנייה בתוך מעבדה."

ארכיטקטורת הלייזר מתקדמת להיתוך

NIF נבנה במהלך שנות ה-90 וכולל את טכנולוגיית הלייזר של אותה תקופה. "אנחנו בונים לייזרים בצורה יעילה הרבה יותר עכשיו ממה שעשינו בשנות ה-90. הטכנולוגיה שלנו התקדמה לנקודה שבה אנחנו יכולים לקבל לייזרים יעילים ביותר בקצבי חזרות שאנו צריכים להיתוך-זריקות רבות בשנייה", אומר גלנצר. "מעניין, המיקרו-שבבים בתוך מכשירי האייפון מיוצרים בטכנולוגיית לייזר שיצאה למעשה מתוכנית היתוך הלייזר. זו הייתה ההצלחה המסחרית הראשונה של היתוך לייזר".

בתוך קהילת ההיתוך, טכנולוגיית הלייזר מתרחקת אט אט מארכיטקטורות ישנות יותר שעבדו בעבר-הלייזרים המבוססים על מנורת הפלאש-הנשאבת או מנורת הבזק- היו "סוס עבודה חזק מאוד", אומר גליסון. "אבל אנחנו צריכים אלה יעילים יותר, אז אנחנו משתמשים בלייזרי דיודה-שאובים במצב מוצק- (DPSSL)."

משמעות הדבר היא ששרשרת האספקה ​​של לייזרים DPSSL צריכה להיבנות, מכיוון שכולם נעים לעבר פלטפורמת הלייזר הסטנדרטית של IFE לצורך בדיקות נדרשות. "לייזרים מצמודים סיבים הם שיטה אחת להעביר אור ממיקום אחד למשנהו, בשימוש בכל מקום על ידי טלקום, אבל כשקהילת ההיתוך מנסה לנצל את הדור הנוכחי של ארכיטקטורות לייזר ואנחנו בונים לייזרים גדולים יותר, אנחנו צריכים להיות מודעים יותר לאופן שבו הדברים מתקררים. זה מרחב חדשנות לחברות", אומר גליסון.

לייזר אקצימר משתמש בגז כמדיום ו"יש להם היסטוריה חזקה עם משרד ההגנה (DoD) עבור כלי נשק-מכוונים אנרגיה", אומר גליסון. "זה גם הבסיס לקונספט היתוך. התקדמות גדולה נעשית עם לייזר אקסימר, שעומד על עשרות שנים של פיזיקה ומחקרים. אנחנו מתקדמים כדי לקבל לייזר חזק כל כך-אולי בתוך טביעת רגל קטנה יותר או ביעילות טובה יותר. איך מקררים מבנה לייזר כל כך גדול? אלו מקומות שחברות פרטיות יכולות לפתח רוטב סודי משלהן".

רכזות היתוך STARFIRE ו-RISE

מרכז ההיתוך STARFIRE מובל על ידי LLNL, עם SLAC, כדי למסחר אנרגיית היתוך מונעת-בלייזר. המיקוד שלו הוא עיצובי יעדים-ברווחים גבוהים, ייצור יעדים ו-DPSSLs. החברים כוללים את MIT; אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי; אוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס; אוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו; אוניברסיטת אוקלהומה; אוניברסיטת רוצ'סטר; Texas A&M; מכון פראונהופר לטכנולוגיית לייזר; קרן מעבדת ליברמור; Oak Ridge National Laboratory; המעבדה הלאומית של נהר סוואנה; Focused Energy Inc.; General Atomics; לאונרדו אלקטרוניקה ארה"ב; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; ו-Xcimer Energy Corp.

לצוות יש גישה למעבדות לייזר ב-SLAC, כך שיש להם הזדמנות להשתמש ב-Linac Coherent Light Source (LCLS), לייזר -היחיד ללא-אלקטרון-אלקטרון (XFEL) בארה"ב, כדי לחקור ולחקור חומרי קפסולה או דלק ההיתוך. הוא פועל בתדר 120 הרץ, אך יפעל בקרוב במגה-הרץ.

"אנחנו משתמשים בשני לייזרים בו-זמנית בניסויים שלנו ב-SLAC. לייזר דופק ארוך-מניע גלי הלם לתוך המדגם, ואז אנחנו בודקים אותו עם ה-LCLS כדי לראות מה קורה בטווחי האורך והזמן הקטנים ביותר כדי לשפר את המודלים הפיזיקליים שלנו", אומר גליסון. "אנחנו צריכים להשוות תפוחים לתפוחים כדי לסמן אם המודל הפיזיקלי שלנו נכון. זה לא רק עומד בבסיס מה שהמעבדות הלאומיות צריכות, אלא גם נותן לחברות פרטיות דרך לחזות אם חלק מהרעיון שלהן יעבוד או לא (למשל, איך הם מדמים את מעורבות המטרה שלהם). ואנחנו מספקים להם את הנתונים הקריטיים האלה על ידי מינוף הגישה שלנו לפלטפורמות לייזר ומכשירים שונים".

מרכז נוסף, RISE, מנוהל על ידי SLAC ואוניברסיטת קולורדו סטייט, וכולל מומחים מאוניברסיטת קורנל, אוניברסיטת אילינוי, טקסס A&M, המעבדה הלאומית של לוס אלמוס, מעבדת המחקר הצי וחברות פרטיות-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion ו-General Atomics-שעובדים על גישות לייזר שונות.

"לכולם יש גישה אמינה", אומר גלנצר. "אבל זה לא שחברה אחת מנסה לגרום לכל זה לקרות-זוהי קהילה ומרכז היתוך ארצי. חוקרים מנסים לקדם את הטכנולוגיות ואנחנו לומדים אחד מהשני כדי לנסות לסגור את פערי המחקר והטכנולוגיה עד שנות ה-2030".

גלנצר נשאל לעתים קרובות על ידי משקיעים באיזו חברת היתוך לגבות. "חלק מחברות הלייזר יכולות להרוויח כסף הרבה יותר מוקדם על ידי אספקת לייזרים להפיל רחפנים בתוך מרחב ההגנה", הוא אומר. "אבל משקיעים לא ממש אוהבים את הרעיון כי הם רוצים שוק שמשרת רק היתוך וחשמל. הם בעצם רוצים שהחברות האלה יבצעו היתוך כדי שיוכלו למכור חשמל. זה באמת מעניין עד כמה הם מתמקדים ביצירת היתוך".

קהילת ההיתוך "מודעת מאוד לדרישות שרשרת האספקה ​​של חברות ההיתוך כדי שיהיו להם משאבים לא רק לבנות את תוכניות הפיילוט ההדגמה שלהן, אלא לאחר מכן להקים-צי כורים לטווח ארוך", אומר גליסון. "זו גישה מרובה במונחים של היכן נוכל להשיג את חומרי הגלם, ולאחר מכן לייצר רכיבים ברחבי ארה"ב, כדי להקים שרשרת אספקה ​​מקומית. זה המפתח".