Selama 75 tahun, telah menjadi impian untuk mereproduksi fusi mirip matahari di Bumi. Tim ilmuwan dan insinyur di seluruh dunia telah menghabiskan puluhan miliar dolar untuk berbagai metode fusi, namun telah lama berjuang untuk mencapai tonggak sejarah “perolehan energi bersih”.
Namun, hingga setahun yang lalu, semuanya berubah.
Pada tanggal 5 Desember 2022, di National Ignition Facility (NIF) di Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), laser terbesar dan berenergi tertinggi di dunia menembakkan 192 sinar laser dan mengarahkannya ke sasaran seukuran biji merica, menciptakan "matahari" kecil. " di dunia. Setelah menembakkan 2,05 megajoule energi laser pada target, percobaan ini menghasilkan lebih banyak energi fusi daripada yang dibutuhkan untuk menyalakan bahan bakar fusi dengan menghasilkan keluaran energi 3,15 megajoule – sebuah terobosan ilmiah besar dalam beberapa dekade.
Melanggar Batas Energi Laser Lagi
Untungnya, Fasilitas Pengapian Nasional (NIF) di Laboratorium Nasional Lawrence Livermore (LLNL) di Amerika Serikat baru-baru ini mencetak rekor baru untuk energi laser – memancarkan 2,2 megajoule (MJ) untuk pertama kalinya pada target penyalaan.
Eksperimen yang baru dilaporkan, dilakukan pada tanggal 30 Oktober, menghasilkan energi fusi sebesar 3,4 MJ, mencapai penyalaan, dan menghasilkan hasil neutron tertinggi kedua yang pernah ada di NIF.
Gordon Brunton, direktur National Ignition Facility (NIF), mengatakan, "Rekor tingkat energi laser ini merupakan pencapaian luar biasa yang membutuhkan kerja keras selama bertahun-tahun. Dan ini menandai keberhasilan keempat kami dalam mendemonstrasikan pengapian fusi di NIF. Pekerjaan ini merupakan hal mendasar bagi misi Laboratorium, dengan kemampuan baru yang dapat mendukung Program Pengelolaan Persediaan Administrasi Keamanan Nuklir Nasional dan mudah-mudahan membawa kita lebih dekat ke masa depan energi fusi."
Pada tanggal 5 Desember 2022, LLNL mencapai pengapian fusi untuk pertama kalinya. Kedua kalinya terjadi pada tanggal 30 Juli 2023, ketika laser NIF mengirimkan energi 2,05 megajoule ke target dalam eksperimen fusi terkontrol, menghasilkan keluaran energi fusi sebesar 3,88 megajoule, perolehan energi tertinggi yang dicapai hingga saat ini. Ketiga kalinya Laser NIF mencapai penyalaan fusi pada 8 Oktober 2023, dengan energi laser sebesar 1,9 MJ dan keluaran energi fusi sebesar 2,4 MJ.
Kemajuan penting dalam fusi nuklir
“Kami berada pada kurva pertumbuhan kinerja yang curam,” kata Jean-Michel Di Nicola, direktur proyek gabungan NIF dan Organisasi Rekayasa Sistem dan Sains Laser Sains Foton, “Meningkatkan energi laser memberi kami lebih banyak kelonggaran untuk mengatasi permasalahan seperti bahan bakar cacat kapsul atau asimetri hotspot bahan bakar. Energi laser yang lebih tinggi membantu mencapai ledakan yang lebih stabil, yang pada gilirannya menghasilkan hasil energi yang lebih tinggi."
Kemampuan laser dalam menyalurkan energi sebesar ini tidak perlu diragukan lagi. Dan tantangannya adalah melindungi optik berharga NIF dari kerusakan akibat serpihan, kata Bruno Van Wonterghem, manajer operasi di NIF: "Laser itu sendiri mampu menghasilkan energi yang lebih tinggi tanpa melakukan perubahan mendasar pada laser. Kami melakukan semua ini untuk memaksimalkan pengendalian kerusakan. Lagi pula, jika ada terlalu banyak energi tanpa perlindungan yang tepat, optik Anda bisa hancur berkeping-keping."
NIF mengelola satu-satunya sistem laser di dunia yang beroperasi di atas ambang batas kerusakan, suatu prestasi yang dimungkinkan sebagian oleh apa yang dikenal sebagai Optical Recycling Loop.
Laser yang lebih kuat, kinerja lebih baik
Dua langkah mitigasi besar, yang diselesaikan pada bulan Juni 2023, sangat penting untuk menyalurkan 2,2 MJ energi laser ke target - penggunaan pelindung serpihan silika yang menyatu pada dua pertiga garis pancaran NIF dan pemasangan pelindung logam pada 32 garis pancaran belahan bumi bawah , yang, bergantung pada garis pancarannya, telah mengurangi tingkat kerusakan akibat puing sebanyak satu faktor yang dikurangi sebanyak 10-100. Optik garis pancaran yang lebih rendah ini menerima paling banyak serpihan dari ruang target karena gravitasi.
Peningkatan lainnya mencakup lapisan anti-reflektif baru, perawatan uap heksametildiazepan (HMDS), dan peningkatan kapasitas loop pemulihan optik. Agen mitigasi baru - pemblokir sisi abu-abu - memecahkan masalah yang belum diidentifikasi oleh para ilmuwan.
“Ada sebagian sinar yang kinerjanya tidak sebaik sinar lainnya,” kata Di Nicola, “dan kami menemukan bahwa jika kita secara radikal mengurangi kepadatan energi laser dengan memberikan bayangan pada salah satu tepi garis pancaran, maka garis pancaran tersebut akan berperforma lebih baik. . Kami masih belum yakin apa akar permasalahannya, namun kami akan menyelidikinya secara aktif di masa mendatang."
Pemecahan misteri ini terjadi secara alami bagi para ilmuwan dan insinyur yang bekerja pada sistem laser paling energik di dunia, NIF, dan Kepala Perwakilan OMST Tayyab Suratwala mengatakan, “Kami telah meneliti kerusakan laser dan mengidentifikasi langkah-langkah mitigasi yang dimodelkan dan diuji. Namun, masing-masing Saat kita meningkatkan energi laser, kita memasuki wilayah yang belum pernah terjadi sebelumnya dan mengungkap mekanisme kerusakan baru."
Lebih banyak energi saja tidak cukup untuk mempertahankan rekor terobosan ilmiah National Institute of Science yang luar biasa.Di Nicola: "Anda perlu mengayunkan palu yang lebih besar dengan kendali dan keterampilan. Denyut laser hanya bertahan sepermiliar detik, jadi Anda perlu melakukannya sangat tepat untuk melakukannya dengan benar."
Untuk mencapai tujuan tersebut, tim baru-baru ini menyelesaikan penerapan sistem High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS), yang memungkinkan pembentukan pulsa lebih tepat dan akurat. HiFiPS adalah proyek yang dibuat selama bertahun-tahun yang memungkinkan keseimbangan daya yang lebih baik dan kontrol simetris dalam ledakan.
Dalam perbaikan lainnya, tim memperbarui serat optik perangkat agar lebih tahan terhadap paparan neutron berulang kali. Serat ini digunakan untuk mengukur secara akurat pulsa laser yang dikirimkan ke target. Perbaikan ini meningkatkan kekuatan sinyal sebesar 10-100, sehingga peneliti dapat terus "melihat" kinerja laser.
Apa harapannya di masa depan?
Saat ini, laser telah menghasilkan energi laser sebesar 2,2 megajoule. Tim kembali ke tahap penelitian dan melakukan proses yang sama setelah percobaan pertama yang menghasilkan pengapian fusi.
Kami sedang melihat secara optik, menilai kerusakan yang terjadi, dan memahami seberapa sering kami dapat menggunakan kemampuan baru ini,” kata Suratwala. Sementara itu, kami merayakan pencapaian besar ini. Ini adalah hasil kerja keras bertahun-tahun dari banyak pihak. tim dalam LLNL dan banyak mitra eksternal."
