מבט מתוך תא המטרה של OMEGA במהלך ניסוי היתוך אינרציאלי בהנעה ישירה במעבדה לאנרגטיקה לייזר של אוניברסיטת רוצ'סטר. מדענים ירו 28 קילו-ג'אול של אנרגיית לייזר לעבר כמוסות קטנות מלאות בדלק דאוטריום וטריטיום, מה שגרם לקפסולות להתפוצץ וליצור פלזמה חמה מספיק כדי ליזום תגובות היתוך בין גרעיני הדלק. הטמפרטורות שהושגו בלב ההתפרצויות הללו הן גבוהות כמו 100 מיליון מעלות צלזיוס (180 מיליון מעלות פרנהייט). המהירות שבה מתרחשת ההתפוצצות היא בדרך כלל בין 500 ל-600 ק"מ לשנייה (1.1 עד 1.35 מיליון מייל לשעה). הלחצים בליבה גדולים עד פי 80 מיליארד מהלחץ האטמוספרי. קרדיט: מעבדת אוניברסיטת רוצ'סטר לאנרגטיקה לייזר / יוג'ין קוואלוק
שיטות חלוצות באמצעות מערכת הלייזר OMEGA של המעבדה לאנרגטיקה לייזר מראות פוטנציאל לעורר היתוך בקנה מידה גדול יותר.
חוקרים מהמעבדה לאנרגטיקה לייזר של אוניברסיטת רוצ'סטר (LLE) הובילו ניסויים המציגים "מצת" יעיל לגישות הנעה ישירה להיתוך אינרציאלי (ICF). בזוג מחקרים שהופיעו ב פיזיקת הטבעהצוות חולק את ממצאיו ומפרט את הפוטנציאל להגדלת השיטות הללו, במטרה להיתוך מוצלח במתקן עתידי.
LLE היא התוכנית הגדולה ביותר של משרד האנרגיה האוניברסיטאי בארה"ב ומארחת את מערכת הלייזר OMEGA, שהיא הלייזר האקדמי הגדול בעולם אך עדיין כמעט מאית מהאנרגיה של מתקן ההצתה הלאומי (NIF) במעבדה הלאומית לורנס ליברמור ב קליפורניה. עם OMEGA, מדענים של רוצ'סטר השלימו מספר ניסיונות מוצלחים לירות 28 קילו ג'אול של אנרגיית לייזר לעבר כמוסות קטנות מלאות בדלק דאוטריום וטריטיום, מה שגרם לקפסולות להתפוצץ ולייצר פְּלַסמָה חם מספיק כדי ליזום תגובות היתוך בין גרעיני הדלק. הניסויים גרמו לתגובות היתוך שייצרו יותר אנרגיה מכמות האנרגיה בפלזמה החמה המרכזית.
ניסויי OMEGA משתמשים בהארת לייזר ישירה של הקפסולה ושונים מגישת ההנעה העקיפה המשמשת ב-NIF. כאשר משתמשים בגישת ההנעה העקיפה, אור הלייזר הופך לקרני רנטגן אשר בתורן מניעות את קריסת הקפסולה. ה-NIF השתמש בהנעה עקיפה כדי להקרין קפסולה בקרני רנטגן תוך שימוש בכ-2,000 קילוג'אול של אנרגיית לייזר. זה הוביל לפריצת דרך ב-NIF בשנת 2022 בהשגת הצתת היתוך – תגובת היתוך שיוצרת רווח נקי של אנרגיה מהמטרה.
הישגים וצפי עתיד
"יצירת יותר אנרגיית היתוך מתכולת האנרגיה הפנימית של המקום שבו מתרחש ההיתוך היא סף חשוב", אומר המחבר הראשי של המאמר הראשון Connor Williams '23 Ph.D. (פיסיקה ואסטרונומיה), כיום מדען צוות במעבדות הלאומיות של Sandia בתכנון יעדי קרינה ו-ICF. "זו דרישה הכרחית לכל מה שאתה רוצה להשיג בהמשך, כמו שריפת פלזמות או השגת הצתה."
על ידי מראה שהם יכולים להשיג רמה זו של ביצועי פיצוץ עם 28 קילוג'אול בלבד של אנרגיית לייזר, צוות רוצ'סטר נרגש מהסיכוי ליישם שיטות הנעה ישירה על לייזרים עם יותר אנרגיה. הדגמת מצת היא צעד חשוב, עם זאת, OMEGA קטנה מכדי לדחוס מספיק דלק כדי להגיע להצתה.
"אם אתה יכול בסופו של דבר ליצור את המצת ולדחוס דלק, להנעה ישירה יש הרבה מאפיינים שהם נוחים לאנרגיית היתוך בהשוואה להנעה עקיפה", אומר Varchas Gopalaswamy '21 Ph.D. (הנדסת מכונות), מדען ה-LLE שהוביל את המחקר השני שחוקר את ההשלכות של שימוש בגישת ההנעה הישירה על לייזרים בדרגת מגה-ג'ול, בדומה לגודל ה-NIF. "לאחר קנה המידה של תוצאות ה-OMEGA לכמה מגה-ג'אול של אנרגיות לייזר, תגובות ההיתוך צפויות להפוך לעצמן, מצב שנקרא 'פלזמות בוערות'."
Gopalaswamy אומר ש-ICF עם הנעה ישירה היא גישה מבטיחה להשגת הצתה תרמו-גרעינית ואנרגיה נטו בהיתוך לייזר.
חידושים ושיתופי פעולה טכנולוגיים
"גורם מרכזי התורם להצלחת הניסויים האחרונים הללו הוא פיתוח של שיטת עיצוב פיצוץ חדשנית המבוססת על תחזיות סטטיסטיות ומאומתת על ידי למידת מכונה אלגוריתמים", אומר ריקרדו בטי, המדען הראשי של LLE והפרופסור של רוברט ל. מק'קרי במחלקה להנדסת מכונות ובמחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה. "מודלים חזויים אלה מאפשרים לנו לצמצם את מאגר העיצובים המבטיחים של מועמדים לפני ביצוע ניסויים בעלי ערך."
הניסויים של רוצ'סטר דרשו מאמץ מתואם מאוד בין מספר רב של מדענים, מהנדסים וצוות טכני כדי להפעיל את מתקן הלייזר המורכב. הם שיתפו פעולה עם חוקרים מה- MIT מרכז מדע והיתוך פלזמה ו-General Atomics לערוך את הניסויים. ניסויים אלו מומנו באמצעות המינהל הלאומי לביטחון גרעיני של משרד האנרגיה האמריקני. עבודת תכנון היעד נבעה מיישומים של לימוד מכונה שמומנו על ידי תוכנית DOE Fusion Energy Sciences.
