I august 2022, da teamet av forskere ved Lawrence Livermore National Labs (LLNL) National Ignition Facility (NIF) avfyrte et skudd som oppnådde et utbytte på 1,35 megajoule (MJ) fusjonsenergi med 1,9 MJ laserenergi, var det et lenge -ventet fusjonsgjennombrudd.
Senere samme år under et annet treghetsfusjonseksperiment (også kalt laser-drevet fusjon) oppnådde forskere et utbytte på 3,15 MJ fusjonsenergi med 2,05 MJ laserenergi og oppnådde tenning. Det var en termonukleær fusjonsreaksjon opprettet i laboratoriet-og den startet et globalt kappløp for å sette karbon-fri laser-drevet fusjonsenergi på nettet innen 2030- eller 2040-årene.
«Dette var et vendepunkt da NIF først viste at treghetsfusjon var mulig, og nøkkelen er å ha den riktige typen drivstoff-deuterium-tritium-og bruke lasere til å komprimere og smelte det sammen for å generere forsterkning (mer energi ut enn satt inn),» sier Arianna Gleason, stabsforsker og assisterende direktør for energi ved Dens SLAC. "Det er som å opprettholde drivstoffet til en stjerne-bare for en brøkdel av et sekund i et laboratorium."
I august 2022, da teamet av forskere ved Lawrence Livermore National Labs (LLNL) National Ignition Facility (NIF) avfyrte et skudd som oppnådde et utbytte på 1,35 megajoule (MJ) fusjonsenergi med 1,9 MJ laserenergi, var det et lenge -ventet fusjonsgjennombrudd.
Senere samme år under et annet treghetsfusjonseksperiment (også kalt laser-drevet fusjon) oppnådde forskere et utbytte på 3,15 MJ fusjonsenergi med 2,05 MJ laserenergi og oppnådde tenning. Det var en termonukleær fusjonsreaksjon opprettet i laboratoriet-og den startet et globalt kappløp for å sette karbon-fri laser-drevet fusjonsenergi på nettet innen 2030- eller 2040-årene.
«Dette var et vendepunkt da NIF først viste at treghetsfusjon var mulig, og nøkkelen er å ha den riktige typen drivstoff-deuterium-tritium-og bruke lasere til å komprimere og smelte det sammen for å generere forsterkning (mer energi ut enn satt inn),» sier Arianna Gleason, stabsforsker og assisterende direktør for energi ved Dens SLAC. "Det er som å opprettholde drivstoffet til en stjerne-bare for en brøkdel av et sekund i et laboratorium."
Laserarkitekturen går videre for fusjon
NIF ble bygget på 1990-tallet og har datidens laserteknologi. "Vi bygger lasere mye mer effektivt nå enn vi gjorde på 1990-tallet. Teknologien vår har avansert til et punkt der vi kan ha svært effektive lasere med repetisjonshastigheter vi trenger for fusjon-mange skudd per sekund," sier Glenzer. "Interessant nok er mikrobrikkene inne i iPhones produsert med laserteknologi som faktisk kom ut av laserfusjonsprogrammet. Det var den første kommersielle suksessen til laserfusjon."
Innenfor fusjonsfellesskapet beveger laserteknologi seg sakte bort fra eldre arkitekturer som fungerte i fortiden -blitslampen-pumpet eller blitslampen-baserte lasere var "en veldig sterk arbeidshest," sier Gleason. "Men vi trenger mer effektive, så vi bruker diode-pumpede solid-lasere (DPSSL)."
Dette betyr at forsyningskjeden for DPSSL-lasere må bygges opp, fordi alle beveger seg mot IFE-standardlaserplattformen for nødvendige tester. "Fiber-koblede lasere er én metode for å flytte lys fra ett sted til et annet, brukt allestedsnærværende av telekom, men ettersom fusjonsfellesskapet prøver å dra nytte av den nåværende generasjonen av laserarkitekturer og vi bygger større lasere, må vi være mer oppmerksomme på hvordan ting blir avkjølt. Det er et innovasjonsrom for bedrifter," sier Gleason.
Excimer-lasere bruker gass som et medium og "har en sterk historie med forsvarsdepartementet (DoD) for dirigerte-energivåpen," sier Gleason. "Det er også grunnlaget for et fusjonskonsept. Det gjøres store fremskritt med excimer-lasere, som står på flere tiår med fysikk og studier. Vi gjør fremskritt for å ha en så kraftig laser-kanskje innenfor et mindre fotavtrykk eller med bedre effektivitet. Hvordan avkjøler du en så stor laserstruktur? Dette er steder private selskaper kan utvikle sin egen hemmelige saus."
STARFIRE og RISE fusjonshuber
STARFIRE fusjonshub ledes av LLNL, med SLAC, for å kommersialisere laser-drevet fusjonsenergi. Fokuset er høy-måldesign, målproduksjon og DPSSL-er. Medlemmer inkluderer MIT; University of California, Berkeley; University of California, Los Angeles; University of California, San Diego; University of Oklahoma; University of Rochester; Texas A&M; Fraunhofer Institute for Laser Technology; Livermore Lab Foundation; Oak Ridge National Laboratory; Savannah River National Laboratory; Focused Energy Inc.; General Atomics; Leonardo Electronics USA; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; og Xcimer Energy Corp.
Teamet har tilgang til laserlaboratorier på SLAC, så de har en mulighet til å bruke Linac Coherent Light Source (LCLS), den eneste røntgenfrie-elektronlaseren (XFEL) i USA, for å undersøke og undersøke kapselmaterialer eller fusjonsdrivstoffet. Den opererer på 120 Hz, men vil snart operere i megahertz.
"Vi bruker to lasere samtidig i våre eksperimenter på SLAC. En lang-pulslaser driver sjokkbølger inn i prøven, og så undersøker vi den med LCLS for å se hva som skjer på den minste lengde og tidsskala for å forbedre fysikkmodellene våre," sier Gleason. "Vi må sammenligne epler med epler for å måle om fysikkmodellen vår er riktig. Den underbygger ikke bare hva de nasjonale laboratoriene trenger, men gir også private selskaper en måte å forutsi om en del av konseptet deres vil fungere eller ikke (for eksempel hvordan de simulerer målengasjementet sitt). Og vi gir disse kritiske dataene til dem ved å utnytte tilgangen vår til forskjellige laser- og instrumentplattformer."
Et annet knutepunkt, RISE, ledes av SLAC og Colorado State University, og involverer eksperter fra Cornell University, University of Illinois, Texas A&M, Los Alamos National Laboratory, Naval Research Laboratory og private selskaper-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion og General Atomics-som jobber med en laserdriver.
"Alle har en troverdig tilnærming," sier Glenzer. "Men det er ikke slik at ett selskap prøver å få alt til å skje-dette er et fellesskap og et landsomfattende fusjonsknutepunkt. Forskere prøver å fremme teknologiene, og vi lærer av hverandre for å prøve å lukke forsknings- og teknologihullene innen 2030-årene."
Glenzer blir ofte spurt av investorer hvilket fusjonsselskap de skal støtte. "Noen av laserselskapene kan tjene penger mye tidligere ved å levere lasere for å skyte ned droner innenfor forsvarsrommet," sier han. "Men investorer liker egentlig ikke ideen fordi de vil ha et marked som kun serverer fusjon og elektrisitet. De vil faktisk at disse selskapene skal lage fusjon slik at de kan selge strøm. Det er veldig interessant hvor fokusert de er på å få fusjon til å skje."
Fusjonsfellesskapet er "veldig klar over forsyningskjedekravene for at fusjonsselskapene skal ha ressursene til ikke bare å bygge opp sine demonstrasjonspilotplaner, men deretter ha en langsiktig-flåte av reaktorer," sier Gleason. "Det er en flerstrenget tilnærming når det gjelder hvor vi kan hente råvarene, og deretter produsere komponenter over hele USA, for å sette opp en innenlandsk forsyningskjede. Dette er nøkkelen."
2030 eller 2040 for et fusjonspilotanlegg?
Offentlige-private partnerskap og finansiering er avgjørende for å komme i nærheten av å sette laser-drevet fusjon på nettet i løpet av 2030-årene.
"Vår rolle er først og fremst å støtte og forringe den kritiske teknologien fusjonsindustrien/private selskaper trenger," sier Gleason. "Men noen selskaper sier at de forventer at det vil være i løpet av 2030-årene."
Det amerikanske energidepartementet satte et mål for 2030-årene. "Det betyr at vi ønsker å lukke alle teknologi- og forskningsteknologihullene, noen innen midten av 2030-tallet, og deretter bygge et pilotanlegg," sier Glenzer. "Det avhenger egentlig av hvor mye penger som investeres, men det er realistisk å forvente et pilotanlegg på slutten av 2030-tallet eller begynnelsen av 2040-tallet."
