Vào tháng 8 năm 2022, khi nhóm các nhà khoa học tại Cơ sở đánh lửa quốc gia (NIF) của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) bắn một phát đạn đạt hiệu suất 1,35 megajoules (MJ) năng lượng nhiệt hạch với 1,9 MJ năng lượng laser, đó là một-một bước đột phá khoa học được chờ đợi từ lâu báo hiệu quá trình đốt cháy nhiệt hạch.
Cuối năm đó, trong một thí nghiệm phản ứng tổng hợp quán tính khác (hay còn gọi là phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laser), các nhà khoa học đã đạt được hiệu suất 3,15 MJ năng lượng nhiệt hạch với 2,05 MJ năng lượng laser và đạt được sự đánh lửa. Đó là một phản ứng tổng hợp nhiệt hạch được tạo ra trong phòng thí nghiệm-và nó đã khởi động một cuộc chạy đua toàn cầu nhằm đưa năng lượng nhiệt hạch được điều khiển bằng tia laser-không chứa carbon-vào lưới điện vào những năm 2030 hoặc 2040.
Arianna Gleason, nhà khoa học nhân viên kiêm phó giám đốc bộ phận Khoa học mật độ năng lượng cao của SLAC, cho biết: "Đây là một bước ngoặt khi NIF lần đầu tiên chứng minh thành công rằng phản ứng tổng hợp quán tính có thể xảy ra và điều quan trọng là phải có đúng loại nhiên liệu-deuterium-tritium-và sử dụng tia laser để nén và nung chảy nó nhằm tạo ra mức tăng (năng lượng tiêu hao nhiều hơn năng lượng đưa vào)". "Nó giống như duy trì nhiên liệu của một ngôi sao-chỉ trong một phần giây trong phòng thí nghiệm."
Vào tháng 8 năm 2022, khi nhóm các nhà khoa học tại Cơ sở đánh lửa quốc gia (NIF) của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) bắn một phát đạn đạt hiệu suất 1,35 megajoules (MJ) năng lượng nhiệt hạch với 1,9 MJ năng lượng laser, đó là một-một bước đột phá khoa học được chờ đợi từ lâu báo hiệu quá trình đốt cháy nhiệt hạch.
Cuối năm đó, trong một thí nghiệm phản ứng tổng hợp quán tính khác (hay còn gọi là phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laser), các nhà khoa học đã đạt được hiệu suất 3,15 MJ năng lượng nhiệt hạch với 2,05 MJ năng lượng laser và đạt được sự đánh lửa. Đó là một phản ứng tổng hợp nhiệt hạch được tạo ra trong phòng thí nghiệm-và nó đã khởi động một cuộc chạy đua toàn cầu nhằm đưa năng lượng nhiệt hạch được điều khiển bằng tia laser-không chứa carbon-vào lưới điện vào những năm 2030 hoặc 2040.
Arianna Gleason, nhà khoa học nhân viên kiêm phó giám đốc bộ phận Khoa học mật độ năng lượng cao của SLAC, cho biết: "Đây là một bước ngoặt khi NIF lần đầu tiên chứng minh thành công rằng phản ứng tổng hợp quán tính có thể xảy ra và điều quan trọng là phải có đúng loại nhiên liệu-deuterium-tritium-và sử dụng tia laser để nén và nung chảy nó nhằm tạo ra mức tăng (năng lượng tiêu hao nhiều hơn năng lượng đưa vào)". "Nó giống như duy trì nhiên liệu của một ngôi sao-chỉ trong một phần giây trong phòng thí nghiệm."
Kiến trúc laser tiến bộ cho phản ứng nhiệt hạch
NIF được xây dựng vào những năm 1990 và sử dụng công nghệ laser thời đó. Glenzer cho biết: "Bây giờ chúng tôi chế tạo tia laser hiệu quả hơn nhiều so với những năm 1990. Công nghệ của chúng tôi đã phát triển đến mức có thể tạo ra tia laser hiệu suất cao với tốc độ lặp lại mà chúng tôi cần để hợp nhất-nhiều bức ảnh mỗi giây". "Thật thú vị, các vi mạch bên trong iPhone được sản xuất bằng công nghệ laser thực sự xuất phát từ chương trình tổng hợp laser. Đây là thành công thương mại đầu tiên của phản ứng tổng hợp laser."
Gleason cho biết, trong cộng đồng nhiệt hạch, công nghệ laser đang dần rời xa các kiến trúc cũ hoạt động trước đây. Laser dựa trên-đèn flash-được bơm hoặc đèn flash-là "một con ngựa rất mạnh". "Nhưng chúng tôi cần những loại hiệu quả hơn, vì vậy chúng tôi đang sử dụng laser trạng thái rắn-được bơm{5}}điốt (DPSSL)."
Điều này có nghĩa là chuỗi cung ứng laser DPSSL cần phải được xây dựng vì mọi người đang hướng tới nền tảng laser tiêu chuẩn IFE cho các thử nghiệm cần thiết. "Laser kết hợp sợi quang là một phương pháp để di chuyển ánh sáng từ vị trí này sang vị trí khác, được viễn thông sử dụng phổ biến, nhưng khi cộng đồng nhiệt hạch cố gắng tận dụng lợi thế của thế hệ kiến trúc laser hiện tại và chúng tôi chế tạo các tia laser lớn hơn, chúng tôi cần lưu ý hơn đến cách mọi thứ được làm mát. Đó là không gian đổi mới dành cho các công ty," Gleason nói.
Gleason cho biết, tia laser Excimer sử dụng khí làm phương tiện và "có lịch sử lâu dài với Bộ Quốc phòng (DoD) về vũ khí năng lượng-định hướng". "Nó cũng là cơ sở cho khái niệm nhiệt hạch. Tiến bộ lớn đang được thực hiện với tia laser kích thích, tồn tại qua nhiều thập kỷ vật lý và nghiên cứu. Chúng tôi đang đạt được tiến bộ để có được tia laser mạnh mẽ như vậy-có thể với diện tích nhỏ hơn hoặc với hiệu suất tốt hơn. Làm thế nào để làm mát một cấu trúc laser lớn như vậy? Đây là những nơi mà các công ty tư nhân có thể phát triển loại nước sốt bí mật của riêng họ."
Trung tâm hợp nhất STARFIRE và RISE
Trung tâm nhiệt hạch STARFIRE do LLNL cùng với SLAC dẫn đầu để thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch điều khiển bằng laser. Trọng tâm của nó là thiết kế mục tiêu có độ lợi cao, sản xuất mục tiêu và DPSSL. Các thành viên bao gồm MIT; Đại học California, Berkeley; Đại học California, Los Angeles; Đại học California, San Diego; Đại học Oklahoma; Đại học Rochester; Texas A&M; Viện Công nghệ Laser Fraunhofer; Tổ chức Phòng thí nghiệm Livermore; Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge; Phòng thí nghiệm quốc gia sông Savannah; Tập trung năng lượng Inc.; Nguyên tử chung; Điện tử Leonardo Mỹ; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; và Tập đoàn Năng lượng Xcimer.
Nhóm có quyền truy cập vào các phòng thí nghiệm laser tại SLAC, vì vậy họ có cơ hội sử dụng Nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS), tia laser điện tử không tia x-không có-(XFEL) duy nhất ở Hoa Kỳ, để thăm dò và thẩm vấn vật liệu viên nang hoặc nhiên liệu nhiệt hạch. Nó hoạt động ở tần số 120 Hz, nhưng sẽ sớm hoạt động ở megahertz.
Gleason cho biết: "Chúng tôi sử dụng hai tia laser cùng lúc trong các thí nghiệm của mình tại SLAC. Một tia laser xung dài truyền sóng xung kích vào mẫu và sau đó chúng tôi thăm dò nó bằng LCLS để xem điều gì đang xảy ra ở quy mô thời gian và độ dài nhỏ nhất nhằm cải thiện các mô hình vật lý của chúng tôi". "Chúng tôi cần so sánh táo với táo để đánh giá xem mô hình vật lý của chúng tôi có đúng hay không. Nó không chỉ củng cố những gì các phòng thí nghiệm quốc gia cần mà còn cung cấp cho các công ty tư nhân một cách để dự đoán liệu một phần ý tưởng của họ có hoạt động hay không (ví dụ: cách họ mô phỏng sự tham gia mục tiêu của họ). Và chúng tôi đang cung cấp dữ liệu quan trọng này cho họ bằng cách tận dụng quyền truy cập của chúng tôi vào các nền tảng thiết bị và laser khác nhau."
Một trung tâm khác, RISE, do SLAC và Đại học Bang Colorado lãnh đạo, đồng thời có sự tham gia của các chuyên gia từ Đại học Cornell, Đại học Illinois, Texas A&M, Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân và các công ty tư nhân-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion và General Atomics{2}}đang nghiên cứu các phương pháp tiếp cận khác nhau đối với trình điều khiển laser.
Glenzer nói: “Tất cả đều có cách tiếp cận đáng tin cậy”. "Nhưng không phải là một công ty cố gắng biến tất cả thành hiện thực-đây là một cộng đồng và một trung tâm hợp nhất toàn quốc. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng cải tiến công nghệ và chúng tôi đang học hỏi lẫn nhau để cố gắng thu hẹp khoảng cách về nghiên cứu và công nghệ vào những năm 2030."
Glenzer thường xuyên được các nhà đầu tư hỏi nên ủng hộ công ty nhiệt hạch nào. Ông nói: “Một số công ty laser có thể kiếm tiền sớm hơn nhiều bằng cách cung cấp tia laser để bắn hạ máy bay không người lái trong không gian phòng thủ”. "Nhưng các nhà đầu tư không thực sự thích ý tưởng này vì họ muốn một thị trường chỉ phục vụ phản ứng tổng hợp và điện. Họ thực sự muốn các công ty này tạo ra phản ứng tổng hợp để họ có thể bán điện. Thật thú vị khi họ tập trung vào việc biến phản ứng tổng hợp thành hiện thực."
Cộng đồng nhiệt hạch "nhận thức rất rõ về các yêu cầu về chuỗi cung ứng để các công ty nhiệt hạch có đủ nguồn lực để không chỉ xây dựng các kế hoạch thí điểm demo mà còn có một-nhóm lò phản ứng dài hạn", Gleason nói. "Đó là một cách tiếp cận đa hướng về nơi chúng tôi có thể tìm nguồn nguyên liệu thô, sau đó sản xuất các bộ phận trên khắp nước Mỹ, để thiết lập chuỗi cung ứng trong nước. Đây là điểm mấu chốt."
Những năm 2030 hay 2040 đối với một nhà máy thí điểm nhiệt hạch?
Quan hệ đối tác và tài trợ công{0}}tư nhân là rất quan trọng để tiến gần hơn đến việc đưa phản ứng tổng hợp điều khiển bằng laze vào lưới điện trong những năm 2030.
Gleason cho biết: “Vai trò của chúng tôi chủ yếu là hỗ trợ và loại bỏ rủi ro đối với công nghệ quan trọng mà ngành công nghiệp nhiệt hạch/các công ty tư nhân cần”. “Nhưng một số công ty nói rằng họ mong đợi điều đó sẽ xảy ra vào những năm 2030.”
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đặt mục tiêu đến những năm 2030. Glenzer nói: “Điều đó có nghĩa là chúng tôi muốn thu hẹp tất cả các khoảng trống về công nghệ và công nghệ nghiên cứu, một số vào giữa những năm 2030, sau đó xây dựng một nhà máy thí điểm”. “Nó thực sự phụ thuộc vào số tiền được đầu tư, nhưng thực tế là có thể mong đợi một nhà máy thí điểm vào cuối những năm 2030 hoặc đầu những năm 2040.”
