Forskere skaber et effektivt tændrør til fusionseksperimenter med direkte drevet inertial indeslutning

Forskere fra University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE) ledede eksperimenter for at demonstrere et effektivt "tændrør" til direkte drevne metoder til inertial indeslutningsfusion (ICF). I to undersøgelser offentliggjort i Nature Physics , diskuterer forfatterne deres resultater og skitserer, hvordan de kan anvendes i større skalaer med håb om i sidste ende at producere fusion på et fremtidigt anlæg.

LLE er det største universitetsbaserede U.S. Department of Energy-program og er vært for OMEGA-lasersystemet, som er den største akademiske laser i verden, men stadig næsten en hundrededel af energien fra National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory i Californien .

Med OMEGA gennemførte Rochester-forskere flere vellykkede forsøg på at affyre 28 kilojoule laserenergi mod små kapsler fyldt med deuterium- og tritiumbrændstof, hvilket fik kapslerne til at implodere og producere et plasma, der er varmt nok til at igangsætte fusionsreaktioner mellem brændstofkernerne. Eksperimenterne forårsagede fusionsreaktioner, der producerede mere energi end mængden af ​​energi i det centrale varme plasma.

OMEGA-eksperimenterne bruger direkte laserbelysning af kapslen og adskiller sig fra den indirekte drivmetode, der anvendes på NIF. Når man bruger den indirekte drivmetode, omdannes laserlyset til røntgenstråler, der igen driver kapselimplosionen. NIF brugte indirekte drev til at bestråle en kapsel med røntgenstråler ved hjælp af omkring 2.000 kilojoule laserenergi. Dette førte til et gennembrud i 2022 hos NIF med hensyn til at opnå fusionstænding - en fusionsreaktion, der skaber en nettogevinst af energi fra målet.

"Generering af mere fusionsenergi end det interne energiindhold i, hvor fusionen finder sted, er en vigtig tærskel," siger hovedforfatter til det første papir Connor Williams '23 Ph.D. (fysik og astronomi), nu stabsforsker ved Sandia National Labs inden for stråling og ICF-måldesign. "Det er et nødvendigt krav for alt, hvad du ønsker at opnå senere, såsom at brænde plasmaer eller opnå antændelse."

Ved at vise, at de kan opnå dette niveau af implosionsydeevne med kun 28 kilojoule laserenergi, er Rochester-teamet begejstret over udsigten til at anvende direkte-drev-metoder til lasere med mere energi. At demonstrere et tændrør er et vigtigt skridt, men OMEGA er for lille til at komprimere nok brændstof til at komme til tændingen.

"Hvis du i sidste ende kan skabe tændrøret og komprimere brændstof, har direkte drev en masse egenskaber, der er gunstige for fusionsenergi sammenlignet med indirekte drev," siger Varchas Gopalaswamy '21 Ph.D. (mekanik), LLE-forskeren, der ledede den anden undersøgelse, der udforsker implikationerne af at bruge direkte-drev-tilgangen på megajoule-klasse lasere, svarende til størrelsen af ​​NIF. "Efter at have skaleret OMEGA-resultaterne til et par megajoule laserenergier, forudsiges fusionsreaktionerne at blive selvbærende, en tilstand kaldet 'brændende plasmaer'."

Gopalaswamy siger, at direkte drevet ICF er en lovende tilgang til at opnå termonuklear antændelse og nettoenergi i laserfusion.

"En vigtig faktor, der bidrager til succesen med disse nylige eksperimenter, er udviklingen af ​​en ny implosionsdesignmetode baseret på statistiske forudsigelser og valideret af maskinlæringsalgoritmer," siger Riccardo Betti, LLE's chefforsker og Robert L. McCrory-professor i afdelingen i maskinteknik og i Institut for Fysik og Astronomi. "Disse prædiktive modeller giver os mulighed for at indsnævre puljen af ​​lovende kandidatdesigns, før vi udfører værdifulde eksperimenter."

Rochester-eksperimenterne krævede en meget koordineret indsats mellem et stort antal videnskabsmænd, ingeniører og teknisk personale for at drive det komplekse laseranlæg. De samarbejdede med forskere fra MIT Plasma Science and Fusion Center og General Atomics for at udføre eksperimenterne.

Flere oplysninger: C. A. Williams et al., Demonstration af hot-spot brændstofforstærkning, der overstiger enhed i direkte drevne inertial indeslutning fusionsimplosioner, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02363-2

V. Gopalaswamy et al., Demonstration af et hydrodynamisk ækvivalent brændende plasma i direkte drevet inertial indeslutningsfusion, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02361-4

Leveret af University of Rochester