LIVERMORE, Calif. — Nakamit ng mga siyentipiko sa Lawrence Livermore National Laboratory ang fusion ignition sa isang kontroladong eksperimento sa laboratoryo sa unang pagkakataon, na nakagawa ng 3.15 megajoules ng enerhiya ng fusion matapos maghatid ng 2.05 megajoules ng enerhiya ng laser sa isang maliit na target na panggatong. Inihayag ng Department of Energy at National Nuclear Security Administration ang resulta ngayong linggo, na inilarawan ang eksperimento noong Disyembre 5 sa National Ignition Facility bilang siyentipikong breakeven ng enerhiya.

Ang tagumpay na ito ay lumampas sa hangganang hinahangad ng mga mananaliksik ng fusion sa loob ng mga dekada: mas maraming enerhiya ang lumitaw mula sa mga reaksyon ng fusion kaysa sa enerhiya ng laser na naihatid sa target. Ito ay isang pangunahing milestone sa pisika, ngunit hindi ito katulad ng paggawa ng netong kuryente mula sa isang planta ng kuryente. Ang mga laser ng NIF ay kumokonsumo ng mas maraming enerhiyang elektrikal kaysa sa 2.05 megajoules na sa huli ay naihatid sa target, at ang isang praktikal na sistema ng enerhiya ay kailangang ulitin nang mabilis ang mga kaganapan ng fusion, gumawa ng mga target nang matipid, kumuha ng init at i-convert ito sa maaasahang kuryente.

Isang 192-beam laser ang pumipiga sa isang kapsula ng gasolina na kasinglaki ng milimetro

Gumagamit ang NIF ng 192 laser beam na nakatutok sa isang maliit na silindrong lukab na tinatawag na hohlraum. Ang liwanag ng laser ay bumubuo ng mga X-ray sa loob ng hohlraum, na nagpipiga sa isang kapsula na naglalaman ng deuterium at tritium, mga mabibigat na isotope ng hydrogen. Sa ilalim ng sapat na temperatura at presyon, ang mga nuclei ay nagsasama-sama at naglalabas ng enerhiya kasama ang mga alpha particle na maaaring magpainit sa nakapalibot na gasolina at palakasin ang reaksyon.

Ayon sa teknikal na ulat ng laboratoryo , ang bala noong Disyembre 5 ay nakalikha ng 3.15 megajoules ng fusion output mula sa 2.05 megajoules ng enerhiya ng laser na naihatid sa target. Ang nagresultang target gain — fusion yield na hinati sa enerhiya ng laser sa target — ay higit sa isa. Sinabi ng NNSA Administrator na si Jill Hruby sa kanyang pahayag noong Disyembre 13 na ang resulta ay kasunod ng mahigit 60 taon ng pandaigdigang pananaliksik, inhinyeriya, at eksperimento.

Ang mahalagang pangyayaring ito ay nakaugat sa mabilis na pagbuti sa pagganap ng NIF. Isang eksperimento noong Agosto 8, 2021 ang nakagawa ng humigit-kumulang 1.35 megajoules, humigit-kumulang 70% ng enerhiya ng laser na naihatid sa target. Inilarawan ng kasabay na salaysay ng NIF tungkol sa putok na iyon ang mga mananaliksik bilang nasa hangganan na ng ignisyon pagkatapos ng 25-tiklop na pagtaas kumpara sa rekord na ani noong 2018. Ang kasunod na gawain ay nakatuon sa kalidad ng target, implosion symmetry, paghahatid ng laser at ang paraan ng pagsasama ng enerhiya sa gasolina.

Ang pakinabang na siyentipiko ay hindi pakinabang para sa buong sistema

Ang pagkakaiba sa pagitan ng target at ng pasilidad ay mahalaga sa pag-unawa sa resulta. Ang 2.05-megajoule input figure ay tumutukoy sa enerhiya ng laser na inihahatid sa target chamber, hindi sa kuryenteng kinukuha mula sa grid upang patakbuhin ang napakalaking laser system. Ang NIF ay pangunahing itinayo para sa high-energy-density physics at nuclear-stockpile stewardship, hindi bilang isang mahusay na electric generator.

Inilalarawan ng teknikal na paliwanag ng ARPA-E ang siyentipikong pagtaas ng enerhiya bilang ang punto kung saan ang output ng fusion ay lumalampas sa enerhiyang tumatawid sa hangganan ng containment upang patakbuhin ang plasma. Iyan ang tamang benchmark para sa physics na ipinakita ngayong buwan. Ang isang komersyal na planta ay haharap sa isang mas mataas na pamantayan sa systems-engineering: ang kumpletong pasilidad ay kailangang gumawa ng mas maraming magagamit na enerhiya kaysa sa nakonsumo nito.

Nangangahulugan ito na ang tagumpay ay hindi dapat maliitin o ipagkamali bilang panandaliang komersyal na kapangyarihan. Ipinapakita ng eksperimento na ang inertial-confinement fusion ay maaaring pumasok sa isang self-heating regime kung saan ang mga reaksyon ng fusion ay nagpapalakas ng paso nang sapat na malakas upang malampasan ang enerhiya ng laser na naihatid sa target. Hindi pa nito naipapakita na ang pangkalahatang proseso ay matipid, mahusay o may kakayahang patuloy na operasyon.

Nagtagpo ang pananaliksik sa pambansang seguridad at enerhiya

Ang pangunahing misyon ng NIF ay nakatali sa imbakan ng mga sandatang nukleyar ng bansa. Itinigil ng Estados Unidos ang pagsusuri sa mga sandatang nukleyar na may eksplosibo noong dekada 1990 at sa halip ay umaasa sa mga eksperimento, pagkalkula, at agham ng mga materyales upang masuri ang pagganap at pagtanda ng mga sandata. Ang mga eksperimento sa pagsasanib ay lumilikha ng matinding temperatura at presyon na tumutulong sa mga siyentipiko na subukan ang mga modelong ginagamit sa pangangasiwa ng imbakan.

Mahalaga rin ang parehong pisika sa pananaliksik sa enerhiya. Pinagsasama ng fusion ang mga magaan na nuclei sa halip na hatiin ang mga mabibigat, at ang mga reaksyon ng deuterium-tritium ay hindi nakakagawa ng carbon dioxide sa panahon ng reaksyon ng fusion. Kung ang isang praktikal na sistema ay maaaring idisenyo, ang fusion ay maaaring mag-alok ng mataas na densidad ng enerhiya na may iba't ibang katangian ng basura at kaligtasan mula sa kumbensyonal na fission. Samakatuwid, inilalahad ng anunsyo ng DOE ang resulta bilang may kaugnayan sa parehong pambansang depensa at isang posibleng teknolohiya sa malinis na enerhiya sa hinaharap.

Isang ulat mula sa Livermore na inilathala noong Biyernes ang naglalarawan kung paano ang target noong Disyembre 5, na halos kalahati ng laki ng isang BB, ay pinaandar ng malawak na NIF laser complex. Ang kaibahan sa iskala ay naglalarawan ng hamon sa inhenyeriya: ang isang pasilidad na sumasaklaw sa isang malaking gusali ay nagtutuon ng napakalaking lakas sa isang mikroskopikong dami ng gasolina sa loob ng isang bahagi ng isang segundo.

Sinasagot ng eksperimento ang isang tanong at nagbubukas ng marami pang tanong

Sa loob ng maraming taon, ang pangunahing tanong sa NIF ay kung makakarating ba ang laboratoryo sa isang rehimen kung saan ang output ng fusion ay nalalagpasan ang direktang enerhiya ng laser na nagtutulak sa target. Ang sagot mula sa kuha na ito ay oo. Ang mga susunod na tanong ay tungkol sa reproducibility, mas mataas na gain, paggawa ng target, kahusayan ng laser, rate ng pag-uulit at ang tibay ng mga bahaging nalantad sa matinding neutron at photon fluxes.

Kailangan ding maunawaan nang eksakto ng mga mananaliksik kung bakit nagtagumpay ang target na ito kung saan nabigo ang ibang mga eksperimentong may mataas na ani. Ang maliliit na depekto sa kapsula, kawalaan ng simetriya sa compression at mga pagkakaiba-iba sa laser coupling ay maaaring matukoy kung ang isang shot ay lumalagpas sa ignition threshold. Ang sensitivity na iyon ang dahilan kung bakit mahalaga ang resulta ng halos ignisyon noong 2021 kahit bago pa man ang tagumpay ngayong buwan: nagbigay ito ng ebidensya sa eksperimento na ang pinagbabatayang rehimen ay abot-kamay na.

Samakatuwid, ang eksperimento noong Disyembre 5 ay nabibilang sa dalawang kategorya nang sabay-sabay. Ito ay isang konkretong tagumpay sa agham na may takdang dami ng enerhiyang nadagdag sa target, at ito ay isang maagang hakbang sa isang mas mahabang programa sa inhenyeriya kung sakaling ang pagsasanib ay maging isang pinagmumulan ng enerhiya. Totoo ang milestone sa pisika. Gayundin ang distansya sa pagitan ng isang ignition shot at isang planta ng kuryente na may kakayahang maglagay ng maaasahang kuryente sa grid.