Race For Laser-drevet fusionsenergi varmes op

I august 2022, da holdet af videnskabsmænd ved Lawrence Livermore National Labs (LLNL) National Ignition Facility (NIF) affyrede et skud, der opnåede et udbytte på 1,35 megajoule (MJ) fusionsenergi med 1,9 MJ laserenergi, var det et længe ventet fusionsgennembrud.

Senere samme år under et andet inertifusionseksperiment (alias laser-drevet fusion) opnåede forskere et udbytte på 3,15 MJ fusionsenergi med 2,05 MJ laserenergi og opnåede antændelse. Det var en termonuklear fusionsreaktion skabt i laboratoriet-og den startede et globalt kapløb om at sætte kulstof-fri laser-drevet fusionsenergi på nettet i 2030'erne eller 2040'erne.

"Dette var et vendepunkt, da NIF for første gang med succes viste, at inertifusion var mulig, og nøglen er at have den rigtige slags brændstof-deuterium-tritium-og bruge lasere til at komprimere og fusionere det for at generere forstærkning (mere energi ud end indført)," siger Arianna Gleason, stabsforsker og vicedirektør i Dens SL's Department of Energy. "Det er som at opretholde brændstoffet fra en stjerne-bare for en brøkdel af et sekund i et laboratorium."

I august 2022, da holdet af videnskabsmænd ved Lawrence Livermore National Labs (LLNL) National Ignition Facility (NIF) affyrede et skud, der opnåede et udbytte på 1,35 megajoule (MJ) fusionsenergi med 1,9 MJ laserenergi, var det et længe ventet fusionsgennembrud.

Senere samme år under et andet inertifusionseksperiment (alias laser-drevet fusion) opnåede forskere et udbytte på 3,15 MJ fusionsenergi med 2,05 MJ laserenergi og opnåede antændelse. Det var en termonuklear fusionsreaktion skabt i laboratoriet-og den startede et globalt kapløb om at sætte kulstof-fri laser-drevet fusionsenergi på nettet i 2030'erne eller 2040'erne.

"Dette var et vendepunkt, da NIF for første gang med succes viste, at inertifusion var mulig, og nøglen er at have den rigtige slags brændstof-deuterium-tritium-og bruge lasere til at komprimere og fusionere det for at generere forstærkning (mere energi ud end indført)," siger Arianna Gleason, stabsforsker og vicedirektør i Dens SL's Department of Energy. "Det er som at opretholde brændstoffet fra en stjerne-bare for en brøkdel af et sekund i et laboratorium."

Laserarkitekturen udvikler sig til fusion

NIF blev bygget i 1990'erne og har datidens laserteknologi. "Vi bygger lasere meget mere effektivt nu, end vi gjorde i 1990'erne. Vores teknologi er avanceret til et punkt, hvor vi kan have højeffektive lasere med gentagelseshastigheder, som vi har brug for til at fusionere-mange skud i sekundet," siger Glenzer. "Interessant nok er mikrochipsene inde i iPhones produceret med laserteknologi, der faktisk kom ud af laserfusionsprogrammet. Det var den første kommercielle succes med laserfusion."

Inden for fusionssamfundet bevæger laserteknologi sig langsomt væk fra ældre arkitekturer, der før i tiden fungerede-de flashlampe-pumpede eller flashlampe-baserede lasere var "en meget stærk arbejdshest," siger Gleason. "Men vi har brug for mere effektive, så vi bruger diode-pumpede solid-lasere (DPSSL'er)."

Det betyder, at forsyningskæden for DPSSL-lasere skal opbygges, fordi alle bevæger sig mod IFE-standardlaserplatformen for nødvendige tests. "Fiber-koblede lasere er én metode til at flytte lys fra et sted til et andet, som bruges allestedsnærværende af telekommunikation, men da fusionssamfundet forsøger at drage fordel af den nuværende generation af laserarkitekturer, og vi bygger større lasere, skal vi være mere opmærksomme på, hvordan tingene bliver afkølet. Det er et innovationsområde for virksomheder," siger Gleason.

Excimer-lasere bruger gas som et medium og "har en stærk historie med Department of Defense (DoD) for rettede-energivåben," siger Gleason. "Det er også grundlaget for et fusionskoncept. Der sker store fremskridt med excimer-lasere, som står på årtiers fysik og studier. Vi gør fremskridt med at have en så kraftig laser-måske inden for et mindre fodaftryk eller med bedre effektivitet. Hvordan afkøler man så stor en laserstruktur? Det er steder, private virksomheder kan udvikle deres egen hemmelige sauce."

STARFIRE og RISE fusionshubs

STARFIRE fusionshub ledes af LLNL, med SLAC, for at kommercialisere laser-drevet fusionsenergi. Dens fokus er høj-måldesign, målfremstilling og DPSSL'er. Medlemmer omfatter 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 Institut for Laserteknologi; Livermore Lab Foundation; Oak Ridge National Laboratory; Savannah River National Laboratory; Focused Energy Inc.; Generelle atomer; Leonardo Electronics USA; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; og Xcimer Energy Corp.

Holdet har adgang til laserlaboratorier hos SLAC, så de har mulighed for at bruge Linac Coherent Light Source (LCLS), den eneste røntgenfrie-elektronlaser (XFEL) i USA, til at sondere og undersøge kapselmaterialer eller fusionsbrændstoffet. Den kører ved 120 Hz, men vil snart køre i megahertz.

"Vi bruger to lasere på én gang i vores eksperimenter på SLAC. En lang-pulslaser driver chokbølger ind i prøven, og så sonderer vi den med LCLS'en for at se, hvad der sker på den mindste længde og tidsskala for at forbedre vores fysikmodeller," siger Gleason. "Vi er nødt til at sammenligne æbler med æbler for at benchmarke, om vores fysikmodel er korrekt. Det understøtter ikke kun, hvad de nationale laboratorier har brug for, men giver også private virksomheder en måde at forudsige, om en del af deres koncept vil fungere eller ej (for eksempel hvordan de simulerer deres målengagement). Og vi leverer disse kritiske data til dem ved at udnytte vores adgang til forskellige laser- og instrumentplatforme."

Et andet knudepunkt, RISE, ledes af 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 virksomheder-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion og General Atomics-, der arbejder med en laserdriver.

"Alle har en troværdig tilgang," siger Glenzer. "Men det er ikke sådan, at én virksomhed forsøger at få det hele til at ske-dette er et fællesskab og et landsdækkende fusionsknudepunkt. Forskere forsøger at fremme teknologierne, og vi lærer af hinanden for at forsøge at lukke forsknings- og teknologihullerne inden 2030'erne."

Glenzer bliver ofte spurgt af investorer, hvilket fusionsselskab de skal støtte. "Nogle af laservirksomhederne kan tjene penge meget tidligere ved at levere lasere til at skyde droner ned i forsvarsrummet," siger han. "Men investorerne bryder sig ikke rigtig om ideen, fordi de vil have et marked, der kun serverer fusion og elektricitet. De vil faktisk have, at disse virksomheder laver fusion, så de kan sælge elektricitet. Det er virkelig interessant, hvor fokuserede de er på at få fusion til at ske."

Fusionssamfundet er "meget bevidst om forsyningskædens krav til, at fusionsselskaberne har ressourcerne til ikke kun at opbygge deres demo-pilotplaner, men så have en langsigtet-flåde af reaktorer," siger Gleason. "Det er en flerstrenget tilgang med hensyn til, hvor vi kan hente råmaterialerne og derefter fremstille komponenter på tværs af USA, for at etablere en indenlandsk forsyningskæde. Dette er nøglen."