Forskare från University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE) ledde experiment för att demonstrera ett effektivt "tändstift" för direktdrivna metoder för tröghetsinneslutning (ICF). I två studier publicerade i Nature Physics , diskuterar författarna sina resultat och beskriver hur de kan tillämpas i större skala med hopp om att så småningom producera fusion vid en framtida anläggning.
LLE är det största universitetsbaserade U.S. Department of Energy-programmet och är värd för lasersystemet OMEGA, som är den största akademiska lasern i världen men fortfarande nästan en hundradel av energin från National Ignition Facility (NIF) vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien .
Med OMEGA slutförde Rochester-forskare flera framgångsrika försök att avfyra 28 kilojoule laserenergi mot små kapslar fyllda med deuterium- och tritiumbränsle, vilket fick kapslarna att implodera och producera en plasma som är tillräckligt varm för att initiera fusionsreaktioner mellan bränslekärnorna. Experimenten orsakade fusionsreaktioner som producerade mer energi än energimängden i den centrala varma plasman.
OMEGA-experimenten använder direkt laserbelysning av kapseln och skiljer sig från den indirekta drivmetoden som används på NIF. När man använder den indirekta drivmetoden omvandlas laserljuset till röntgenstrålar som i sin tur driver kapselimplosionen. NIF använde indirekt drivning för att bestråla en kapsel med röntgenstrålar med cirka 2 000 kilojoule laserenergi. Detta ledde till ett genombrott 2022 hos NIF för att uppnå fusionständning – en fusionsreaktion som skapar en nettovinst av energi från målet.
"Att generera mer fusionsenergi än det interna energiinnehållet där fusionen äger rum är en viktig tröskel", säger huvudförfattaren till den första uppsatsen Connor Williams '23 Ph.D. (fysik och astronomi), nu en stabsforskare vid Sandia National Labs inom strålning och ICF-måldesign. "Det är ett nödvändigt krav för allt du vill åstadkomma senare, som att bränna plasma eller uppnå antändning."
Genom att visa att de kan uppnå denna nivå av implosionsprestanda med bara 28 kilojoule laserenergi är Rochester-teamet entusiastiska över möjligheten att tillämpa direktdrivningsmetoder på lasrar med mer energi. Att demonstrera ett tändstift är ett viktigt steg, men OMEGA är för liten för att komprimera tillräckligt med bränsle för att komma till tändningen.
"Om du så småningom kan skapa tändstiftet och komprimera bränsle, har direktdrift många egenskaper som är gynnsamma för fusionsenergi jämfört med indirekt drivning", säger Varchas Gopalaswamy '21 Ph.D. (maskinteknik), LLE-forskaren som ledde den andra studien som undersöker konsekvenserna av att använda direktdrivningsmetoden på megajoule-klasslasrar, liknande storleken på NIF. "Efter att ha skalat OMEGA-resultaten till några megajoule laserenergi förutspås fusionsreaktionerna bli självförsörjande, ett tillstånd som kallas 'brinnande plasma'."
Gopalaswamy säger att direktdriven ICF är ett lovande tillvägagångssätt för att uppnå termonukleär antändning och nettoenergi vid laserfusion.
"En viktig faktor som bidrar till framgången för dessa senaste experiment är utvecklingen av en ny implosionsdesignmetod baserad på statistiska förutsägelser och validerad av maskininlärningsalgoritmer", säger Riccardo Betti, LLE:s chefsforskare och professor Robert L. McCrory vid avdelningen i maskinteknik och vid institutionen för fysik och astronomi. "Dessa prediktiva modeller tillåter oss att begränsa poolen av lovande kandidatdesigner innan vi genomför värdefulla experiment."
Rochester-experimenten krävde en mycket samordnad insats mellan ett stort antal forskare, ingenjörer och teknisk personal för att driva den komplexa laseranläggningen. De samarbetade med forskare från MIT Plasma Science and Fusion Center och General Atomics för att genomföra experimenten.
Mer information: C. A. Williams et al, Demonstration av hot-spot bränslevinst som överstiger enhet i direktdrivna tröghetsinneslutningsfusionsimplosioner, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02363-2
V. Gopalaswamy et al, Demonstration av en hydrodynamiskt ekvivalent brinnande plasma i direktdriven tröghetsinneslutningsfusion, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02361-4
Tillhandahålls av University of Rochester
