Wetenschappers van het Laboratory for Laser Energetics (LLE) van de Universiteit van Rochester hebben experimenten geleid om een ​​effectieve "bougie" aan te tonen voor direct-drive-methoden voor inertiële opsluitingsfusie (ICF). In twee onderzoeken gepubliceerd in Nature Physics , bespreken de auteurs hun resultaten en schetsen hoe ze op grotere schaal kunnen worden toegepast in de hoop uiteindelijk fusie te kunnen produceren in een toekomstige faciliteit.

LLE is het grootste universitaire programma van het Amerikaanse ministerie van Energie en herbergt het OMEGA-lasersysteem, de grootste academische laser ter wereld, maar nog steeds bijna een honderdste van de energie van de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië .

Met OMEGA voltooiden wetenschappers uit Rochester verschillende succesvolle pogingen om 28 kilojoule laserenergie af te vuren op kleine capsules gevuld met deuterium- en tritiumbrandstof, waardoor de capsules implodeerden en een plasma produceerden dat heet genoeg was om fusiereacties tussen de brandstofkernen op gang te brengen. De experimenten veroorzaakten fusiereacties die meer energie produceerden dan de hoeveelheid energie in het centrale hete plasma.

De OMEGA-experimenten maken gebruik van directe laserverlichting van de capsule en verschillen van de indirecte aandrijfbenadering die op de NIF wordt gebruikt. Bij gebruik van de indirecte aandrijfbenadering wordt het laserlicht omgezet in röntgenstralen die op hun beurt de capsule-implosie aandrijven. De NIF gebruikte indirecte aandrijving om een ​​capsule te bestralen met röntgenstralen met behulp van ongeveer 2.000 kilojoule laserenergie. Dit leidde in 2022 tot een doorbraak bij NIF in het bereiken van fusie-ontsteking – een fusiereactie die netto energiewinst uit het doel creëert.

"Het genereren van meer fusie-energie dan de interne energie-inhoud van de plaats waar de fusie plaatsvindt, is een belangrijke drempel", zegt hoofdauteur van het eerste artikel Connor Williams '23 Ph.D. (natuurkunde en astronomie), nu stafwetenschapper bij Sandia National Labs op het gebied van straling en ICF-doelontwerp. "Dat is een noodzakelijke vereiste voor alles wat je later wilt bereiken, zoals het verbranden van plasma's of het bereiken van ontsteking."

Door te laten zien dat ze dit niveau van implosieprestaties kunnen bereiken met slechts 28 kilojoule laserenergie, is het team uit Rochester enthousiast over het vooruitzicht om direct-drive-methoden toe te passen op lasers met meer energie. Het demonstreren van een bougie is een belangrijke stap, maar OMEGA is te klein om voldoende brandstof samen te persen om tot ontsteking te komen.

"Als je uiteindelijk de bougie kunt maken en brandstof kunt comprimeren, heeft directe aandrijving veel eigenschappen die gunstig zijn voor fusie-energie vergeleken met indirecte aandrijving", zegt Varchas Gopalaswamy '21 Ph.D. (werktuigbouwkunde), de LLE-wetenschapper die de tweede studie leidde die de implicaties onderzoekt van het gebruik van de directe aandrijving op lasers van megajoule-klasse, vergelijkbaar met de grootte van de NIF. "Na het opschalen van de OMEGA-resultaten tot een paar megajoules aan laserenergie, wordt voorspeld dat de fusiereacties zichzelf in stand zullen houden, een toestand die 'brandende plasma's' wordt genoemd."

Gopalaswamy zegt dat direct-drive ICF een veelbelovende aanpak is voor het bereiken van thermonucleaire ontsteking en netto-energie in laserfusie.

"Een belangrijke factor die bijdraagt ​​aan het succes van deze recente experimenten is de ontwikkeling van een nieuwe implosieontwerpmethode, gebaseerd op statistische voorspellingen en gevalideerd door machine learning-algoritmen", zegt Riccardo Betti, hoofdwetenschapper van LLE en Robert L. McCrory hoogleraar aan de afdeling. van Werktuigbouwkunde en in het Departement Natuurkunde en Sterrenkunde. "Deze voorspellende modellen stellen ons in staat de pool van veelbelovende kandidaat-ontwerpen te verkleinen voordat we waardevolle experimenten uitvoeren."

De experimenten in Rochester vereisten een zeer gecoördineerde inspanning van een groot aantal wetenschappers, ingenieurs en technisch personeel om de complexe laserfaciliteit te bedienen. Ze werkten samen met onderzoekers van het MIT Plasma Science and Fusion Center en General Atomics om de experimenten uit te voeren.

Meer informatie: C. A. Williams et al, Demonstratie van brandstofwinst op hete plekken die de eenheid overschrijdt bij fusie-implosies door traagheidsopsluiting met directe aandrijving, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02363-2

V. Gopalaswamy et al, Demonstratie van een hydrodynamisch equivalent brandend plasma in traagheidsfusie met directe aandrijving, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02361-4

Aangeboden door Universiteit van Rochester