I augusti 2022, när teamet av forskare vid Lawrence Livermore National Labs (LLNL) National Ignition Facility (NIF) avlossade ett skott som uppnådde ett utbyte på 1,35 megajoule (MJ) fusionsenergi med 1,9 MJ laserenergi, var det en efterlängtad fusionssignalsgenombrott.
Senare samma år under ett annat experiment med tröghetsfusion (alias laser-driven fusion) uppnådde forskare ett utbyte på 3,15 MJ fusionsenergi med 2,05 MJ laserenergi och uppnådde antändning. Det var en termonukleär fusionsreaktion skapad inom labbet-och den startade ett globalt lopp för att lägga kol-fri laser-driven fusionsenergi på nätet under 2030- eller 2040-talen.
"Detta var en vändpunkt när NIF först framgångsrikt visade att tröghetsfusion var möjlig, och nyckeln är att ha rätt sorts bränsle-deuterium-tritium-och att använda lasrar för att komprimera och smälta det för att generera vinst (mer energi ut än som läggs in)," säger Arianna Gleason, stabsforskare och biträdande chef för energiavdelningen vid Dens SLAC. "Det är som att behålla bränslet från en stjärna-bara för en bråkdel av en sekund i ett laboratorium."
I augusti 2022, när teamet av forskare vid Lawrence Livermore National Labs (LLNL) National Ignition Facility (NIF) avlossade ett skott som uppnådde ett utbyte på 1,35 megajoule (MJ) fusionsenergi med 1,9 MJ laserenergi, var det en efterlängtad fusionssignalsgenombrott.
Senare samma år under ett annat experiment med tröghetsfusion (alias laser-driven fusion) uppnådde forskare ett utbyte på 3,15 MJ fusionsenergi med 2,05 MJ laserenergi och uppnådde antändning. Det var en termonukleär fusionsreaktion skapad inom labbet-och den startade ett globalt lopp för att lägga kol-fri laser-driven fusionsenergi på nätet under 2030- eller 2040-talen.
"Detta var en vändpunkt när NIF först framgångsrikt visade att tröghetsfusion var möjlig, och nyckeln är att ha rätt sorts bränsle-deuterium-tritium-och att använda lasrar för att komprimera och smälta det för att generera vinst (mer energi ut än som läggs in)," säger Arianna Gleason, stabsforskare och biträdande chef för energiavdelningen vid Dens SLAC. "Det är som att behålla bränslet från en stjärna-bara för en bråkdel av en sekund i ett laboratorium."
Laserarkitekturen går framåt för fusion
NIF byggdes under 1990-talet och har dåtidens laserteknik. "Vi bygger lasrar mycket mer effektivt nu än vi gjorde på 1990-talet. Vår teknik har utvecklats till en punkt där vi kan ha högeffektiva lasrar med repetitionshastigheter som vi behöver för att smälta-många bilder per sekund", säger Glenzer. "Intressant nog är mikrochipsen inuti iPhones producerade med laserteknik som faktiskt kom ur laserfusionsprogrammet. Det var den första kommersiella framgången för laserfusion."
Inom fusionsgemenskapen går lasertekniken långsamt bort från äldre arkitekturer som tidigare fungerade-den blixtlampa-pumpade eller blixtlampsbaserade-lasern var "en mycket stark arbetshäst", säger Gleason. "Men vi behöver mer effektiva sådana, så vi använder diod-pumpade fast-lasrar (DPSSL)."
Detta innebär att leveranskedjan för DPSSL-lasrar måste byggas upp, eftersom alla går mot IFE-standardlaserplattformen för nödvändiga tester. "Fiber-kopplade lasrar är en metod för att flytta ljus från en plats till en annan, som används överallt av telekom, men eftersom fusionsgemenskapen försöker dra fördel av den nuvarande generationen av laserarkitekturer och vi bygger större lasrar måste vi vara mer uppmärksamma på hur saker kyls ned. Det är ett innovationsområde för företag", säger Gleason.
Excimerlasrar använder gas som medium och "har en stark historia med försvarsdepartementet (DoD) för riktade-energivapen", säger Gleason. "Det är också grunden för ett fusionskoncept. Stora framsteg görs med excimerlasrar, som står på årtionden av fysik och studier. Vi gör framsteg för att ha en så kraftfull laser-kanske inom ett mindre fotavtryck eller med bättre effektivitet. Hur kyler man en så stor laserstruktur? Det här är platser där privata företag kan utveckla sin egen hemliga sås."
STARFIRE och RISE fusionsnav
STARFIRE fusionsnav leds av LLNL, med SLAC, för att kommersialisera laser-driven fusionsenergi. Dess fokus är måldesigner med hög-vinst, måltillverkning och DPSSL. Medlemmar inkluderar 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; och Xcimer Energy Corp.
Teamet har tillgång till laserlaboratorier på SLAC, så de har möjlighet att använda Linac Coherent Light Source (LCLS), den enda röntgenfria-elektronlasern (XFEL) i USA, för att undersöka och undersöka kapselmaterial eller fusionsbränslet. Den arbetar vid 120 Hz, men kommer snart att fungera i megahertz.
"Vi använder två lasrar samtidigt i våra experiment på SLAC. En lång-pulslaser driver in stötvågor i provet och sedan undersöker vi det med LCLS för att se vad som händer på minsta möjliga längd och tidsskala för att förbättra våra fysikmodeller", säger Gleason. "Vi måste jämföra äpplen med äpplen för att jämföra huruvida vår fysikmodell är korrekt. Den underbygger inte bara vad de nationella laboratorierna behöver, utan ger också privata företag ett sätt att förutsäga om en del av deras koncept kommer att fungera eller inte (till exempel hur de simulerar sitt målengagemang). Och vi tillhandahåller denna kritiska data till dem genom att utnyttja vår tillgång till olika laser- och instrumentplattformar."
Ett annat nav, RISE, leds av SLAC och Colorado State University, och involverar experter från Cornell University, University of Illinois, Texas A&M, Los Alamos National Laboratory, Naval Research Laboratory och privata företag-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion och General Atomics-som arbetar med olika tillvägagångssätt.
"Alla har ett trovärdigt förhållningssätt", säger Glenzer. "Men det är inte som att ett företag försöker få allt att hända-det här är en gemenskap och ett rikstäckande fusionsnav. Forskare försöker utveckla tekniken och vi lär oss av varandra för att försöka överbrygga forsknings- och teknikklyftorna till 2030-talet."
Glenzer får ofta frågan av investerare vilket fusionsföretag de ska stödja. "Några av laserföretagen kan tjäna pengar mycket tidigare genom att leverera lasrar för att skjuta ner drönare inom försvarsutrymmet", säger han. "Men investerare gillar inte riktigt idén eftersom de vill ha en marknad som bara tjänar fusion och el. De vill faktiskt att dessa företag ska göra fusion så att de kan sälja el. Det är verkligen intressant hur fokuserade de är på att få fusion att hända."
Fusionsgemenskapen är "mycket medveten om leveranskedjans krav för att fusionsföretagen ska ha resurserna att inte bara bygga upp sina demonstrationspilotplaner utan sedan ha en-långsiktig flotta av reaktorer", säger Gleason. "Det är ett mångsidigt tillvägagångssätt när det gäller var vi kan köpa råvarorna och sedan tillverka komponenter över hela USA för att skapa en inhemsk leveranskedja. Detta är nyckeln."
2030-talet eller 2040-talet för en fusionspilotanläggning?
Offentliga-privata partnerskap och finansiering är avgörande för att komma i närheten av att sätta laserdriven-fusion på nätet under 2030-talet.
"Vår roll är i första hand att stödja och avskaffa den kritiska teknik som fusionsindustrin/privata företag behöver", säger Gleason. "Men vissa företag säger att de förväntar sig att det blir under 2030-talet."
Det amerikanska energidepartementet satte upp ett mål för 2030-talet. "Det betyder att vi vill täppa till alla tekniska och forskningstekniska luckor, vissa i mitten av 2030-talet, och sedan bygga en pilotanläggning", säger Glenzer. "Det beror verkligen på hur mycket pengar som investeras, men det är realistiskt att förvänta sig en pilotanläggning i slutet av 2030-talet eller början av 2040-talet."
