De race om laser-gedreven fusie-energie wordt steeds heftiger

In augustus 2022, toen het team van wetenschappers van de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Lab (LLNL) een schot afvuurde dat een opbrengst van 1,35 megajoule (MJ) fusie-energie opleverde met 1,9 MJ laserenergie, was het een langverwachte wetenschappelijke doorbraak op het gebied van fusieverbranding.

Later datzelfde jaar bereikten wetenschappers tijdens een ander traagheidsfusie-experiment (ook wel laser-aangedreven fusie) een opbrengst van 3,15 MJ aan fusie-energie met 2,05 MJ aan laserenergie en bereikten ze ontsteking. Het was een thermonucleaire fusiereactie die in het laboratorium werd gecreëerd-en die het startsein gaf voor een mondiale race om tegen de jaren 2030 of 2040 koolstof-vrije laser-aangedreven fusie-energie op het elektriciteitsnet te zetten.

"Dit was een keerpunt toen NIF voor het eerst met succes aantoonde dat traagheidsfusie mogelijk was, en de sleutel is het hebben van de juiste soort brandstof-deuterium-tritium- en het gebruik van lasers om dit te comprimeren en samen te smelten om winst te genereren (meer energie eruit dan erin gestopt)", zegt Arianna Gleason, stafwetenschapper en adjunct-directeur van SLAC's High Energy Density Science-divisie. "Het is alsof je de brandstof van een ster -slechts een fractie van een seconde in een laboratorium in stand houdt."

In augustus 2022, toen het team van wetenschappers van de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Lab (LLNL) een schot afvuurde dat een opbrengst van 1,35 megajoule (MJ) fusie-energie opleverde met 1,9 MJ laserenergie, was het een langverwachte wetenschappelijke doorbraak op het gebied van fusieverbranding.

Later datzelfde jaar bereikten wetenschappers tijdens een ander traagheidsfusie-experiment (ook wel laser-aangedreven fusie) een opbrengst van 3,15 MJ aan fusie-energie met 2,05 MJ aan laserenergie en bereikten ze ontsteking. Het was een thermonucleaire fusiereactie die in het laboratorium werd gecreëerd-en die het startsein gaf voor een mondiale race om tegen de jaren 2030 of 2040 koolstof-vrije laser-aangedreven fusie-energie op het elektriciteitsnet te zetten.

"Dit was een keerpunt toen NIF voor het eerst met succes aantoonde dat traagheidsfusie mogelijk was, en de sleutel is het hebben van de juiste soort brandstof-deuterium-tritium- en het gebruik van lasers om dit te comprimeren en samen te smelten om winst te genereren (meer energie eruit dan erin gestopt)", zegt Arianna Gleason, stafwetenschapper en adjunct-directeur van SLAC's High Energy Density Science-divisie. "Het is alsof je de brandstof van een ster -slechts een fractie van een seconde in een laboratorium in stand houdt."

Laserarchitectuur gaat vooruit op het gebied van fusie

NIF is gebouwd in de jaren negentig en beschikt over de lasertechnologie van die tijd. "We bouwen lasers nu veel efficiënter dan in de jaren negentig. Onze technologie is zo ver gevorderd dat we zeer efficiënte lasers kunnen hebben met herhalingssnelheden die we nodig hebben voor fusie-veel schoten per seconde", zegt Glenzer. "Interessant is dat de microchips in iPhones worden geproduceerd met lasertechnologie die feitelijk voortkomt uit het laserfusieprogramma. Het was het eerste commerciële succes van laserfusie."

Binnen de fusiegemeenschap wijkt de lasertechnologie langzaam af van oudere architecturen die in het verleden werkten. -De flitslamp-gepompte of flitslamp-lasers waren 'een zeer sterk werkpaard', zegt Gleason. "Maar we hebben efficiëntere lasers nodig, dus gebruiken we diode-gepompte vaste- lasers (DPSSL's)."

Dit betekent dat de toeleveringsketen voor DPSSL-lasers moet worden opgebouwd, omdat iedereen op weg is naar het IFE-standaardlaserplatform voor de vereiste tests. "Fiber{1}}gekoppelde lasers zijn een methode om licht van de ene locatie naar de andere te verplaatsen en worden alom gebruikt door telecombedrijven, maar nu de fusiegemeenschap probeert te profiteren van de huidige generatie laserarchitecturen en we grotere lasers bouwen, moeten we ons meer bewust zijn van hoe dingen worden afgekoeld. Het is een innovatieruimte voor bedrijven", zegt Gleason.

Excimerlasers gebruiken gas als medium en "hebben een sterke geschiedenis bij het Ministerie van Defensie (DoD) op het gebied van gerichte-energiewapens", zegt Gleason. "Het is ook de basis voor een fusieconcept. Er wordt grote vooruitgang geboekt met excimeerlasers, die voortbouwen op decennia van natuurkunde en studies. We boeken vooruitgang om zo'n krachtige laser te hebben-misschien met een kleinere voetafdruk of met een betere efficiëntie. Hoe koel je zo'n grote laserstructuur? Dit zijn plekken waar particuliere bedrijven hun eigen geheime saus kunnen ontwikkelen."

STARFIRE- en RISE-fusiehubs

STARFIRE-fusiehub wordt geleid door LLNL, samen met SLAC, om laser-aangedreven fusie-energie te commercialiseren. De focus ligt op doelontwerpen met hoge winst-, doelproductie en DPSSL's. Leden zijn onder meer MIT; Universiteit van Californië, Berkeley; Universiteit van Californië, Los Angeles; Universiteit van Californië, San Diego; Universiteit van Oklahoma; Universiteit van Rochester; Texas A&M; Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie; Stichting Livermore Lab; Oak Ridge Nationaal Laboratorium; Savannah River Nationaal Laboratorium; Gerichte Energie Inc.; Algemene Atomica; Leonardo Electronics VS; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; en Xcimer Energy Corp.

Het team heeft toegang tot laserlaboratoria bij SLAC, zodat ze de mogelijkheid hebben om de Linac Coherent Light Source (LCLS), de enige x-ray-vrije-elektronenlaser (XFEL) in de VS, te gebruiken om capsulematerialen of de fusiebrandstof te onderzoeken en te ondervragen. Het werkt op 120 Hz, maar zal binnenkort in megahertz werken.

"We gebruiken twee lasers tegelijk in onze experimenten bij SLAC. Een lange-pulslaser drijft schokgolven in het monster, en vervolgens onderzoeken we het met de LCLS om te zien wat er gebeurt op de kleinste lengte- en tijdschalen om onze natuurkundige modellen te verbeteren", zegt Gleason. "We moeten appels met appels vergelijken om te beoordelen of ons natuurkundig model correct is. Het ondersteunt niet alleen wat de nationale laboratoria nodig hebben, maar geeft particuliere bedrijven ook een manier om te voorspellen of een deel van hun concept wel of niet zal werken (bijvoorbeeld hoe ze hun doelbetrokkenheid simuleren). En we leveren deze cruciale gegevens aan hen door gebruik te maken van onze toegang tot verschillende laser- en instrumentplatforms."

Een andere hub, RISE, wordt geleid door SLAC en Colorado State University, en omvat experts van Cornell University, de University of Illinois, Texas A&M, Los Alamos National Laboratory, het Naval Research Laboratory en particuliere bedrijven -Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion en General Atomics- die werken aan verschillende benaderingen van een laserdriver.

"Ze hebben allemaal een geloofwaardige aanpak", zegt Glenzer. "Maar het is niet zo dat één bedrijf dit allemaal probeert te realiseren-dit is een gemeenschap en een landelijk fusiecentrum. Onderzoekers proberen de technologieën vooruit te helpen en we leren van elkaar om te proberen de hiaten in onderzoek en technologie tegen 2030 te dichten."

Glenzer wordt regelmatig door investeerders gevraagd welk fusiebedrijf ze moeten steunen. "Sommige laserbedrijven kunnen veel eerder geld verdienen door lasers te leveren om drones binnen de defensieruimte neer te schieten", zegt hij. "Maar investeerders zijn niet echt blij met het idee, omdat ze een markt willen die alleen fusie en elektriciteit bedient. Ze willen eigenlijk dat deze bedrijven fusie maken, zodat ze elektriciteit kunnen verkopen. Het is echt interessant hoe gefocust ze zijn op het realiseren van fusie."

De fusiegemeenschap is "zich zeer bewust van de eisen die de fusiebedrijven in de toeleveringsketen stellen om over de middelen te beschikken om niet alleen hun demo-proefplannen op te bouwen, maar ook om vervolgens over een vloot van reactoren voor de lange- termijn te beschikken", zegt Gleason. "Het is een veelzijdige aanpak in termen van waar we de grondstoffen kunnen betrekken en vervolgens de componenten in de VS kunnen vervaardigen, om een ​​binnenlandse toeleveringsketen op te zetten. Dit is van cruciaal belang."