Na tientallen jaren van traagheidsonderzoek naar kernfusie, werd op 8 augustus 2021 voor het eerst een opbrengst van meer dan 1,3 megajoule (MJ) behaald in de National Ignition Facility (NIF) van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), waarmee onderzoekers op de drempel stonden van fusiewinst en het bereiken van wetenschappelijke ontbranding.

Op de eenjarige verjaardag van deze historische prestatie zijn de wetenschappelijke resultaten van dit recordexperiment gepubliceerd in drie collegiaal getoetste artikelen:één in Physical Review Letters en twee in Physical Review E . Meer dan 1.000 auteurs zijn opgenomen in een van de Physical Review Letters papier om de vele individuen te erkennen en te erkennen die gedurende vele decennia hebben gewerkt om deze belangrijke vooruitgang mogelijk te maken.

"De recordopname was een belangrijke wetenschappelijke vooruitgang in het fusieonderzoek, waaruit blijkt dat fusie-ontsteking in het laboratorium mogelijk is bij NIF", zegt Omar Hurricane, hoofdwetenschapper voor het inertiële opsluitingsfusieprogramma van LLNL. "Het bereiken van de voorwaarden die nodig zijn voor ontsteking is een al lang bestaand doel voor al het onderzoek naar inertiële opsluiting van fusie en opent de toegang tot een nieuw experimenteel regime waarbij de zelfverhitting van alfadeeltjes alle koelmechanismen in het fusieplasma overtreft."

De papers beschrijven in detail de resultaten van 8 augustus 2021 en het bijbehorende ontwerp, verbeteringen en experimentele metingen. LLNL-natuurkundige Alex Zylstra, hoofd-experimentalist en eerste auteur van de experimentele Physical Review E paper, merkte op dat het Lab in 2020 en begin 2021 voor het eerst experimenten uitvoerde in het regime van "brandend plasma", wat de weg vrijmaakte voor de recordopname.

"Van dat ontwerp hebben we verschillende verbeteringen aangebracht om de opname van 8 augustus 2021 te halen", zei hij. "Verbeteringen in het natuurkundige ontwerp en de kwaliteit van het doelwit hebben allemaal geleid tot het succes van de opname in augustus, die wordt besproken in de Physical Review E papieren."

Dit experiment omvatte enkele wijzigingen, waaronder een verbeterd doelontwerp. "Het verminderen van de uitlooptijd met efficiëntere hohlraums in vergelijking met eerdere experimenten was de sleutel tot het schakelen tussen het brandende plasma en ontstekingsregimes", zegt LLNL-natuurkundige Annie Kritcher, hoofdontwerper en eerste auteur van de andere Physical Review E papier. "De andere belangrijke veranderingen waren een verbeterde capsulekwaliteit en een kleinere brandstofvulbuis."

Sinds het experiment afgelopen augustus heeft het team een ​​reeks experimenten uitgevoerd om te proberen de voorstelling te herhalen en de experimentele gevoeligheden in dit nieuwe regime te begrijpen.

"Veel variabelen kunnen elk experiment beïnvloeden," zei Kritcher. "De 192 laserstralen presteren niet precies hetzelfde van schot tot schot, de kwaliteit van doelen varieert en de ijslaag groeit met verschillende ruwheid op elk doelwit. Deze experimenten boden de mogelijkheid om de inherente variabiliteit in dit nieuwe, gevoelige experimenteel regime."

Hoewel de herhaalde pogingen niet hetzelfde niveau van fusieopbrengst hebben bereikt als het experiment van augustus 2021, lieten ze allemaal een capsulewinst zien die groter is dan één met opbrengsten in het bereik van 430-700 kJ, aanzienlijk hoger dan de vorige hoogste opbrengst van 170 kJ van februari 2021. De gegevens die uit deze en andere experimenten zijn verkregen, geven cruciale aanwijzingen over wat er goed ging en welke veranderingen nodig zijn om dat experiment te herhalen en de prestaties in de toekomst te overtreffen. Het team gebruikt de experimentele gegevens ook om meer inzicht te krijgen in de fundamentele processen van fusie-ontsteking en -verbranding en om simulatietools te verbeteren ter ondersteuning van voorraadbeheer.

Vooruitkijkend werkt het team aan het benutten van de verzamelde experimentele gegevens en simulaties om naar een robuuster regime te gaan - verder dan de ontstekingsklip - waar algemene trends in dit nieuwe experimentele regime beter kunnen worden gescheiden van variabiliteit in doelen en laserprestaties.

Er worden inspanningen geleverd om de fusieprestaties en robuustheid te verbeteren via verbeteringen aan de laser, verbeteringen aan de doelen en aanpassingen aan het ontwerp die de energietoevoer naar de hotspot verder verbeteren, terwijl de hotspotdruk behouden blijft of zelfs wordt verhoogd. Dit omvat het verbeteren van de compressie van de fusiebrandstof, het verhogen van de hoeveelheid brandstof en andere mogelijkheden.

"Het is buitengewoon opwindend om een ​​'bestaansbewijs' van ontsteking in het laboratorium te hebben," zei Hurricane. "We opereren in een regime waartoe geen enkele onderzoekers toegang hebben gehad sinds het einde van de nucleaire tests, en het is een ongelooflijke kans om onze kennis uit te breiden terwijl we vooruitgang blijven boeken." + Verder verkennen

Onderzoekers op de rand van fusie-ontsteking bij National Ignition Facility