Fusion är ett naturfenomen som förser vår planet med mycket av sin energi – genererad miljontals mil bort i mitten av vår sol.
Här på jorden försöker forskare replikera de varma och täta förhållanden som leder till fusion. I mitten av en stjärna ger gravitationstryck och höga temperaturer – runt 200 miljoner grader Fahrenheit – energi och pressar atomer tillräckligt nära varandra för att smälta samman sina kärnor och generera överskottsenergi.
"Slutmålet med fusionsforskning är att reproducera en process som sker i stjärnor hela tiden", säger Arianna Gleason, personalforskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory. "Två lätta atomer går samman och smälter samman för att bilda en enda tyngre, stabilare kärna. Som ett resultat av detta omvandlas överskottsmassa - den ena kärnan har mindre massa än de två som bildade den - omvandlas till energi och förs bort."
Den överblivna massan (m) blir energi (E) tack vare Einsteins berömda E=mc 2 ekvation. Att få fusion att ske på jorden är förvånansvärt enkelt – och har uppnåtts många gånger under de senaste decennierna med hjälp av ett brett utbud av enheter. Det svåra är att göra processen självförsörjande, så att en fusionshändelse driver nästa till att skapa en ihållande, "brinnande plasma" som i slutändan skulle kunna generera ren, säker och riklig energi för att driva elnätet.
"Du kan tänka på det här som att slå en match", förklarar Alan Fry. projektledare för SLAC:s Matter in Extreme Conditions Petawatt Upgrade (MEC-U). "När den har antänts fortsätter lågan att brinna. På jorden måste vi skapa de rätta förhållandena – mycket hög densitet och temperatur – för att få processen att hända, och ett av sätten att göra det är med laser."
Ange tröghetsfusionsenergi, eller IFE, ett potentiellt tillvägagångssätt för att bygga ett kommersiellt fusionskraftverk med fusionsbränsle och lasrar. IFE har fått ökat nationellt stöd sedan forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) National Ignition Facility (NIF) upprepade gånger har visat fusionsreaktioner som gav en nettoenergivinst för första gången någonstans i världen.
"Med intensiva laserstrålar uppnådde vi antändning, vilket betyder att vi fick ut mer energi ur ett fusionsmål än laserenergin som lagts in i det", förklarade Siegfried Glenzer, professor i fotonvetenskap och chef för SLAC:s högenergidensitetsavdelning.
Inertial confinement fusion:Hur det fungerar
Tekniken som används vid NIF, känd som tröghetsinneslutningsfusion, är en av två primära idéer som utforskas för att skapa en fusionsenergikälla. Den andra, känd som magnetisk inneslutningsfusion, använder magnetfält för att innehålla fusionsbränsle i form av plasma.
Med tröghetsinneslutningsfusion skapas plasman med hjälp av intensiva lasrar och en liten pellet fylld med väte - typiskt deuterium och tritium, isotoper med en respektive två neutroner i kärnan. Pelleten är omgiven av ett lätt material som förångas utåt när det värms upp av lasrarna. Och när det gör det sker en nettoreaktion inåt, vilket driver en implosion.
"Det här är i grunden en sfärisk raket," förklarar Fry. "Genom att spruta ut avgaser utåt driver den raketen i motsatt riktning. I det här fallet trycker det förångade materialet på utsidan av pelleten in väteisotoperna mot mitten."
Lasrarna måste appliceras exakt för att få en symmetrisk stötvåg att röra sig mot centrum av väteblandningen - vilket skapar den temperatur och densitet som behövs för att starta fusionsreaktionen. NIF-tändningshändelser använder 192 laserstrålar för att skapa denna implosion och få isotoperna att smälta samman.
"Lasertekniken och vår förståelse av fusionsprocessen har utvecklats så snabbt att vi nu kan använda laserinneslutning för att skapa en brinnande plasma från varje fusionshändelse," sa Gleason.
Men det är en lång väg kvar att gå. Lasrar som används för tröghetsfusionsenergi måste kunna avfyras snabbare och bli mer elektriskt effektiva, säger experterna.
Lasrarna på NIF är så stora och komplexa att de bara kan avfyra cirka tre gånger om dagen. För att nå en kraftkälla för tröghetsfusionsenergi, sa Glenzer, "vi behöver lasrar som kan arbeta 10 gånger per sekund. Så vi måste slå samman NIF-fusionsresultaten med effektiv laser- och bränslemålteknologi."
Fry använder analogin med en kolv i en bilcylinder för att beskriva hur individuella fusionsreaktioner summerar till att generera ihållande kraft. "Varje gång du sprutar in bränsle och tänder det, expanderar det och trycker in kolven i din motor," sa han. "För att få din bil att röra sig måste du göra det om och om igen med tusentals varv per minut – eller tiotals gånger per sekund, och det är precis vad vi behöver göra med tröghetsfusionsenergi för att förvandla den till en livskraftig, kontinuerlig , hållbar kraftkälla."
"För att nå den energivinst som behövs för en pilotfusionsanläggning måste vi gå från ungefär två gånger mer energi ut än in - den nuvarande vinsten från NIF-experiment - till en energivinst på 10 till 20 gånger den laserenergi vi lägger in, " sa Glenzer. "Vi har simuleringar som visar att det inte är ett orimligt mål, men det kommer att krävas mycket arbete för att nå dit."
Dessutom inkluderar de nuvarande uppskattningarna av energivinst från antändning inte all energi eller elektricitet som det tog att göra det laserskottet. För att göra IFE till en energilösning behöver du öka hela systemet, eller väggkontaktens effektivitet, vilket kommer att ta framsteg i båda riktningarna:mer energi från fusionsreaktionen och mindre energi in i lasern, säger Fry.
De nyligen tillkännagivna DOE-sponsrade tröghetsfusionsenergicentrumen för vetenskap och teknik samlar expertis från flera institutioner för att möta dessa utmaningar.
SLAC är en partner i två av de tre hubbar, och tillför labbets expertis och kapacitet inom laserexperiment med hög upprepningshastighet, lasersystem och alla medföljande teknologier.
"En spännande utveckling är nya laseranläggningar som planeras vid Colorado State University och SLAC", säger Glenzer, som är biträdande chef för RISE-hubben som leds av CSU. Högeffektlaseranläggningen vid CSU och MEC-U-projektet vid SLAC:s Linac Coherent Light Source kommer att baseras på den senaste laserarkitekturen och kommer att leverera laserpulser med 10 skott per sekund.
"LCLS har använt lasrar under de senaste tio åren med mer än 100 skott per sekund, och det betyder att vi har en mycket stark teknisk expertis i att utföra experiment med hög upprepningsfrekvens," sa Glenzer. "Vi har utvecklat nya mål, diagnostik och detektorer som kan dra fördel av de höga repetitionsfrekvenserna och som är ganska unika för detta område och en bra matchning med vad vi vill uppnå med IFE."
Men det finns fortfarande mycket att lära om hur man exakt träffar ett mål i mitten av en kammare 10 gånger i sekunden på ett sätt så att målskräpet och fusionskraften inte påverkar eller skadar lasrarna eller målinsättningen.
Som partner i STARFIRE-hubben som leds av LLNL kommer SLAC att bidra till att skapa detaljerade tekniska krav för lasersystem för IFE som är nära besläktade med de som ska byggas för MEC-U-projektet som pågår vid SLAC, säger Fry.
"De avancerade lasrarna vid MEC-U kommer att använda ett mer effektivt sätt att driva in energi i lasern och ett avancerat kylsystem för att köras med en högre upprepningshastighet. Teknikerna vi utvecklar, och de vetenskapliga frågor vi kan besvara med den, är övertygande för IFE."
Dessutom kan de ultraljusa röntgenstrålarna från LCLS hjälpa forskare att förstå vad som händer i vätebränslet när det går igenom fusion, eller vad som händer i materialet som blåses av pelleten för att orsaka implosionen.
Faktum är att material spelar en nyckelroll i utvecklingen av IFE, säger Gleason. "Att använda lasrar för att implodera ett mål likformigt och sfäriskt är så svårt eftersom material alltid är defekta:det finns en dislokation, en defekt, en kemisk inhomogenitet, en ytjämnhet, en porositet på mesoskalan. Kort sagt, det finns alltid variationer och defekter i material."
En av de saker hon är upphetsad över är att bättre förstå materialen som är involverade i IFE på atomnivå för att testa och förfina fysikmodeller för specifika IFE-designer, sa hon.
"På SLAC har vi fenomenala verktyg för att titta djupt in i material. Genom att förstå ofullkomligheternas fysik kan vi förvandla deras "brister" till funktioner som kan beaktas i deras design - vi kan ha många rattar att vrida på för att justera komprimeringen i fusionsprocessen."
En annan stor utmaning som alla tre forskare är angelägna om att ta itu med är att bygga upp den arbetskraft som krävs för att forska och driva framtidens fusionsenergianläggningar.
Naven inkluderar finansiering för studentmedverkan, sa Glenzer. "Vi kommer att utbilda nästa generation av forskare och tekniker för att dra nytta av dessa nya möjligheter."
Fry och Gleason känner också starkt för att locka människor till fältet så att fusionsenergi, när den utvecklas, är ett inkluderande företag.
"Vi kommer att behöva ingenjörer, tekniker, operatörer, personal och inköpsproffs, etc.," sa Gleason. "Jag tror att många unga människor kan samlas bakom fusion och känna sig bemyndigade genom att göra något som trycker tillbaka på klimatkrisen - de vill se en förändring i sin livstid."
Glenzer är övertygad om att de kommer att göra det. "Folk hade spekulerat i att det skulle ta 30 år att bygga en fusionsenergianläggning, men det senaste genombrottet för tändningen förde den utsikten närmare verkligheten. Vi har redan ökat fusionsvinsten med 1 000 under de senaste 10 årens arbete på NIF." sa han.
"Potentialen för en ren, rättvis och riklig energikälla – och all vetenskap och teknik som följer med utvecklingen av fusionsenergi – är mycket spännande."
LCLS är en DOE Office of Science-användaranläggning. Fusionsenergihubbarna bildades av DOE:s Inertial Fusion Energy Science &Technology Accelerator Research (IFE-STAR)-program.
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
