تأسیسات ملی احتراق اولین بار در جهان، سود خالص انرژی همجوشی را نشان می دهد

فیزیکدانانی که در یک مرکز همجوشی لیزری در ایالات متحده کار می کنند اولین جهانی را اعلام کرده اند - تولید انرژی بیشتر از یک واکنش همجوشی هسته ای کنترل شده نسبت به انرژی مورد نیاز واکنش. آنها با استفاده از 3.5 میلیارد دلار به این هدف دست یافتند تاسیسات احتراق ملی (NIF) - یک سیستم لیزری به اندازه استادیوم فوتبال که در آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور (LLNL) در کالیفرنیا. شلیک لیزری که در 5 دسامبر انجام شد، 3.15 میلیون ژول (MJ) انرژی را از یک گلوله کوچک حاوی دو ایزوتوپ هیدروژن آزاد کرد - در مقایسه با 2.05 MJ که آن لیزرها به هدف رساندند.

دیروز در یک کنفرانس مطبوعاتی در واشنگتن دی سی که توسط سازماندهی شده بود صحبت کرد وزارت انرژی برای اعلام این دستاورد، مارک هرمان، رئیس فیزیک و طراحی سلاح در LLNL، خاطرنشان کرد که این پیشرفت دارای اهمیت دوگانه است. در حالی که فوراً باید توانایی ایالات متحده را برای نظارت بر ذخایر تسلیحات هسته‌ای خود بدون آزمایش - هدف اصلی NIF - بهبود بخشد، اما می‌تواند در درازمدت منجر به شکل جدیدی از انرژی پاک و پایدار شود. او گفت که نتیجه، همکارانش را "واقعاً تلمبه" کرده است.

برای مایکل کمپبل در دانشگاه روچستر در ایالات متحده، پیشی گرفتن از «سرشکنی انرژی» - هدف دانشمندان برای دهه‌ها - یک «لحظه برادران رایت» برای تحقیقات همجوشی است. استیون رز کالج امپریال لندن استدلال می کند که نتیجه "به طور قطعی نشان می دهد که همجوشی اینرسی در مقیاس مگاژول کار می کند".

"چیزی بزرگ"

NIF با هدف قرار دادن نزدیک به 200 پرتو لیزر پرقدرت به داخل یک استوانه فلزی توخالی به طول 1 سانتی متر، واکنش های همجوشی را تحریک می کند. پرتوهای X شدید تولید شده در این فرآیند روی یک کپسول کروی به قطر 2 میلی متر که در وسط سیلندر قرار دارد که حاوی دوتریوم و تریتیوم است، همگرا می شوند. همانطور که قسمت بیرونی کپسول منفجر می شود، دوتریوم و تریتیوم به داخل فشار داده می شوند و برای لحظه ای کوتاه فشارها و دماهای بسیار زیادی را تجربه می کنند - به اندازه ای بالا که هسته ها بر دافعه متقابل خود غلبه کرده و ذوب می شوند و گرما، هسته هلیوم و نوترون تولید می کنند.

پس از روشن کردن NIF در سال 2009، محققان در ابتدا تصور کردند که سه سال بعد به نقطه سربه سر (یا "اشتعال"، همانطور که از نقطه عطف اغلب نام برده می شود) دست پیدا کنند. اما مشکلات ناشی از ناپایداری در پلاسمای تولید شده در طی همجوشی و عدم تقارن در انفجار کپسول، خروجی همجوشی تاسیسات را محدود می‌کند.

برای رسیدن به این نقطه، 10 سال از حل گام به گام مشکلات گذشت

طوفان عمر

تا اوایل سال 2021 طول کشید تا دانشمندان به اندازه کافی این انفجارها را درک کنند تا بتوانند یک "پلاسمای سوزان" ایجاد کنند و گرمای بیشتری را از هسته های هلیوم نسبت به لیزر تولید کنند. سپس در اواخر همان سال آنها سرانجام به یک واکنش همجوشی خودپایدار دست یافتند که در آن گرمای تولید شده از تلفات ناشی از خنک شدن خارج شد - و بازده انرژی 1.37 مگا ژول را به دست آورد.

آنی کریچر، فیزیکدان LLNL می گوید که آخرین نتیجه با افزایش اندکی انرژی لیزر - حدود 8 درصد بیشتر از 1.92 مگا ژول در سال گذشته - به دست آمد، در حالی که کپسول ها را کمی ضخیم تر کرد و به همین دلیل در برابر نقص ها کمی انعطاف پذیرتر شد. علاوه بر این، آنها تقارن انفجار را با انتقال انرژی بین پرتوهای لیزر در طول فرآیند همجوشی بهبود بخشیدند.

همکار کریچر، الکس زیلسترا، خاطرنشان کرد که این رکوردشکنی در ساعت 1 بامداد به وقت محلی در 5 دسامبر انجام شد. به گفته کیم بودیل، مدیر آزمایشگاه، این شات مقادیر زیادی نوترون تولید کرد که نشان می‌دهد «اتفاق بزرگی رخ داده است». با وجود این، بودیل اضافه می‌کند که اندازه‌گیری‌های زیادی برای تایید این حجم بی‌سابقه انجام شد، با تیمی از کارشناسان مستقل برای بررسی همتای نتایج قبل از اعلام روز گذشته.

یک دهه "تنگ"

به گفته عمر هاریکن، دانشمند ارشد برنامه همجوشی لیورمور، با مشاهده یک پلاسمای در حال سوختن چند سال پیش، شکی وجود نداشت که نقطه سربه سر به دست می آید. تنها سوالی که برای او وجود داشت این بود که این نقطه عطف دقیقا چه زمانی رخ خواهد داد. او گفت: «برای رسیدن به این نقطه، 10 سال از حل گام به گام مشکلات گذشت. دنیای فیزیک. ده سال طولانی به نظر می رسد، اما در واقع فکر می کنم زمان نسبتاً کوتاهی برای چنین چالش علمی سختی است.

تامی ما از لیورمور در مورد اینکه کجای آخرین نتیجه در مقایسه با یک طرح رقیب که به آهنرباها برای محتوی پلاسما برای مدت زمان نسبتاً طولانی متکی است، همجوشی اینرسی را به جا می گذارد (همانطور که در ITER در فرانسه مورد بهره برداری قرار خواهد گرفت)، تامی ما از لیورمور می گوید که هر دو رویکرد دارای "مزایای مثبت و مثبت" هستند. منفی». در حالی که محدودیت مغناطیسی هنوز به نقطه سربه‌سر نرسیده است، او می‌گوید در توسعه فناوری پیشرفته‌تر است. در واقع، او اشاره می کند که NIF برای نشان دادن انرژی عملی همجوشی طراحی نشده است - همانطور که برای هر شات لیزر 300 MJ حدود 2 مگا ژول الکتریسیته مصرف می کند.

هم ما و هم کمبل معتقدند که زمینه های زیادی برای بهبود وجود دارد. در حالی که فناوری NIF در دهه 1990 تنها 0.5٪ کارآمد است، کمپبل می گوید که لیزرهای مدرن می توانند تا 20٪ افزایش پیدا کنند. هنگامی که با بهبودهای بیشتر در افزایش انرژی در هدف ترکیب شود، او معتقد است که همجوشی اینرسی می تواند به یک واقعیت تجاری تبدیل شود. اما او بر این باور است که این نقطه هنوز احتمالاً چندین دهه باقی مانده است و ابتدا باید بر «چالش‌های زیادی» غلبه کرد.