På ettårsdagen av att man uppnådde en avkastning på mer än 1,3 megajoule vid LLNL:s National Ignition Facility, har de vetenskapliga resultaten av detta rekordexperiment publicerats i tre peer-reviewed artiklar:en i Physical Review Letters och två i Physical Review E . Denna stiliserade bild visar ett kryogent mål som används för dessa rekordsättande tröghetsfusionsexperiment. Kredit:James Wickboldt/LLNL
Efter årtionden av tröghetsinneslutningsfusionsforskning uppnåddes en avkastning på mer än 1,3 megajoule (MJ) vid Lawrence Livermore National Laboratorys (LLNL) National Ignition Facility (NIF) för första gången den 8 augusti 2021, vilket satte forskare vid tröskeln av fusionsvinst och att uppnå vetenskaplig antändning.
På ettårsdagen av denna historiska bedrift har de vetenskapliga resultaten av detta rekordexperiment publicerats i tre peer-reviewed artiklar:en i Physical Review Letters och två i Physical Review E . Mer än 1 000 författare ingår i ett av Physical Review Letters papper för att erkänna och erkänna de många individer som har arbetat under många decennier för att möjliggöra detta betydande framsteg.
"Rekordsskottet var ett stort vetenskapligt framsteg inom fusionsforskning, som fastställer att fusionsantändning i labbet är möjlig vid NIF", säger Omar Hurricane, chefsforskare för LLNL:s tröghetsinneslutningsprogram. "Att uppnå de villkor som behövs för antändning har varit ett långvarigt mål för all tröghetsinneslutningsfusionsforskning och öppnar tillgång till en ny experimentell regim där alfapartikels självuppvärmning överträffar alla kylmekanismer i fusionsplasman."
Dokumenten beskriver i detalj resultaten från 8 augusti 2021 och tillhörande design, förbättringar och experimentella mätningar. LLNL fysiker Alex Zylstra, huvudexperimentalist och första författare till den experimentella Physical Review E papper, noterade att labbet 2020 och början av 2021 genomförde experiment med "brinnande plasma"-regimen för första gången, vilket satte scenen för rekordskottet.
"Från den designen gjorde vi flera förbättringar för att komma till bilden den 8 augusti 2021", sa han. "Förbättringar av fysikdesignen och kvaliteten på målet bidrog till framgången för augustiskottet, vilket diskuteras i Physical Review E papper."
Detta experiment införlivade några ändringar, inklusive förbättrad måldesign. "Att minska utrullningstiden med mer effektiva hålrum jämfört med tidigare experiment var nyckeln för att flytta mellan brinnande plasma och antändningsregimer", säger LLNL-fysikern Annie Kritcher, huvuddesigner och första författare till den andra Physical Review E papper. "De andra huvudförändringarna var förbättrad kapselkvalitet och ett mindre bränslepåfyllningsrör."
Denna tredelade bild visar den bortskurna karakteristiska målgeometrin (a) som inkluderar ett guldkantat utarmat uran-hohlraum som omger en HDC-kapsel med några kännetecken märkta. Kapseln, ~2 mm i diameter, i mitten av den ~1 cm höga hohlraumen, upptar en liten del av volymen. Laserstrålar kommer in i målet vid de övre och nedre öppningarna, kallade laseringångshål. I (b) visas total lasereffekt (blå) kontra tid och simulerad hohlraumstrålningstemperatur för experimentet den 8 augusti 2021 med några nyckelelement märkta. Alla bilder är 100 kvadratmikrometer. Bilddata används för att rekonstruera hotspot-plasmavolymen som behövs för att sluta sig till tryck och andra plasmaegenskaper. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
Sedan experimentet i augusti förra året har teamet utfört en serie experiment för att försöka upprepa prestandan och för att förstå den experimentella känsligheten i denna nya regim.
"Många variabler kan påverka varje experiment," sa Kritcher. "De 192 laserstrålarna presterar inte exakt likadant från skott till skott, kvaliteten på målen varierar och islagret växer med olika grovhet på varje mål. Dessa experiment gav en möjlighet att testa och förstå den inneboende variationen i denna nya, känsliga experimentell regim."
Även om de upprepade försöken inte har nått samma nivå av fusionsutbyte som experimentet i augusti 2021, visade alla av dem kapselvinst större än enhet med utbyten i intervallet 430–700 kJ, betydligt högre än den tidigare högsta avkastningen på 170 kJ från februari 2021. Data från dessa och andra experiment ger avgörande ledtrådar om vad som gick rätt och vilka förändringar som behövs för att upprepa det experimentet och överträffa dess prestanda i framtiden. Teamet använder också experimentella data för att ytterligare förstå de grundläggande processerna för fusionsantändning och förbränning och för att förbättra simuleringsverktyg till stöd för lagerförvaltning.
När vi blickar framåt arbetar teamet med att utnyttja de ackumulerade experimentella data och simuleringar för att gå mot en mer robust regim – längre bortom antändningsklippan – där allmänna trender som hittas i denna nya experimentella regim bättre kan separeras från variationer i mål och laserprestanda.
Ansträngningar för att öka fusionsprestanda och robusthet pågår via förbättringar av lasern, förbättringar av målen och modifieringar av designen som ytterligare förbättrar energileveransen till hotspoten samtidigt som hotspottrycket bibehålls eller till och med ökar. Detta inkluderar att förbättra kompressionen av fusionsbränslet, öka mängden bränsle och andra vägar.
"Det är oerhört spännande att ha ett "existensbevis" på antändning i labbet, säger Hurricane. "Vi verkar i en regim som inga forskare har fått tillgång till sedan slutet av kärnvapenprovningen, och det är en otrolig möjlighet att utöka vår kunskap när vi fortsätter att göra framsteg." + Utforska vidare
