Setahun yang lalu, umat manusia menyadari perolehan energi bersih dari reaksi fusi nuklir untuk pertama kalinya. Selama tahun ini, NIF terus ditingkatkan dan berhasil merealisasikan tiga pengapian lagi, memecahkan beberapa rekor berturut-turut! Baru-baru ini, ilmuwan utama proyek ini terpilih sebagai salah satu dari 10 Orang Terbaik Alam Tahun Ini...
Setahun yang lalu, umat manusia menyadari perolehan energi bersih dari reaksi fusi nuklir untuk pertama kalinya. Di tahun ini, NIF terus berbenah, dan kemudian berhasil merealisasikan tiga pengapian, memecahkan beberapa rekor! Baru-baru ini, ia menjadi kepala ilmuwan proyek tersebut, dan juga terpilih sebagai salah satu dari sepuluh orang terbaik tahun ini di Alam.
14 Desember tahun lalu, Laboratorium Nasional Lawrence Livermore (LLNL) untuk pertama kalinya mencapai keberhasilan pengapian fusi nuklir terkendali, bagi seluruh umat manusia untuk melepas "Cawan Suci" energi bersih -
Setelah menyalurkan energi sebesar 2,05 megajoule (MJ) ke target, keluaran energi fusi sebesar 3,15 MJ dihasilkan dengan perolehan energi sekitar 1,5.
Pada tanggal 30 Juli 2023, Laboratorium mencapai keluaran energi pertamanya sebesar 3,88 MJ, tertinggi yang pernah ada.
Pada tanggal 30 Oktober, lab kembali mencetak rekor - 2.2 megajoule energi masukan dicapai untuk pertama kalinya. Sedangkan output energi sebesar 3,4 megajoule menduduki peringkat kedua.
Menghadapi 'pengapian' yang sukses berulang kali, Alam juga dengan bersemangat menerbitkan artikel yang mengatakan - fusi laser akan memasuki era yang benar-benar baru.
Dapat dibayangkan bahwa ketika fusi nuklir terkendali akhirnya terwujud, umat manusia akan memiliki kemungkinan memperoleh energi bersih bebas karbon dalam jumlah besar untuk pertama kalinya dalam sejarah, sehingga merevolusi peta jalan energi untuk masa depan.
Dengan kata lain, pada saat itu, tidak akan ada lagi gas rumah kaca yang dihasilkan dari pembakaran batu bara dan minyak, tidak akan ada lagi limbah radioaktif yang berbahaya dan berumur panjang – umat manusia akan memiliki akses terhadap 'energi bersih' dalam arti sebenarnya.
Artinya, kekurangan energi yang melanda umat manusia sejak kita memasuki Era Listrik akan hilang. Umat manusia bahkan dapat mewujudkan terobosan teknologi yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam energi bintang yang dihasilkan oleh fusi nuklir terkendali.
Tapi mari kita kembali ke kenyataan dulu.
Kesulitan sebenarnya dalam membuat laser dapat menyalurkan energi dalam jumlah besar adalah bagaimana melindungi optik NIF yang berharga dari kerusakan akibat serpihan.
NIF adalah satu-satunya sistem laser di dunia yang dapat beroperasi di atas ambang batas kerusakan, dan hal ini sebagian disebabkan oleh siklus pemulihan optik yang dikembangkan di laboratorium.
Optik yang Ditingkatkan
Pada bulan Juni 2023, NIF menyelesaikan dua peningkatan utama yang sangat penting untuk mencapai energi input sebesar 2,2 megajoule.
Hal ini termasuk penggunaan pelindung serpihan silika leburan pada dua pertiga garis pancaran NIF dan pemasangan pelindung logam pada 32 garis pancaran belahan bumi bawah.
Peningkatan ini mengurangi tingkat kerusakan yang disebabkan oleh serpihan sebanyak 10 hingga 100 kali, bergantung pada garis pancarannya. Optik pada garis pancaran bawah menerima sebagian besar serpihan dari ruang target karena gravitasi.
Peningkatan lainnya mencakup lapisan anti-reflektif baru, perawatan uap hexamethyldisiloxane (HMDS), dan peningkatan kapasitas siklus daur ulang optik. Serta 'penghalang tepi abu-abu' baru untuk masalah yang belum sepenuhnya didefinisikan oleh para ilmuwan.
Lebih dari sekedar peningkatan energi
Peningkatan energi saja tidak cukup untuk mempertahankan terobosan luar biasa yang telah dilakukan NIF dalam bidang sains - the
Pulsa laser hanya bertahan beberapa miliar detik, sehingga diperlukan ketelitian ekstrem untuk mencapai hasil yang diinginkan.
Untuk mencapai tujuan ini, tim baru-baru ini menyelesaikan penerapan sistem High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS).
Sebuah proyek multi-tahun, HiFiPS memungkinkan pembentukan pulsa yang lebih tepat dan akurat, yang pada gilirannya memungkinkan keseimbangan daya dan kontrol simetri yang lebih baik dalam ledakan.
Selain itu, tim memperbarui serat optik di fasilitas tersebut agar lebih toleran terhadap paparan neutron berulang. Serat ini digunakan untuk mengukur secara akurat pulsa laser yang dikirimkan ke target.
Sebagai akibat langsung dari perbaikan tersebut, kekuatan sinyal meningkat 10 hingga 100 kali lipat, dan para peneliti dapat terus 'mengamati' kinerja laser secara akurat.
Namun, jalan yang harus ditempuh untuk mewujudkan penyampaian energi fusi ke jaringan listrik masih jauh dari kecanggihan saat ini.
Meskipun NIF memiliki laser terbesar di dunia saat ini, sistem ini sangat tidak efisien, dengan lebih dari 99% energi di setiap penyalaan hilang sebelum mencapai targetnya.
Dan mengembangkan sistem laser yang lebih efisien adalah tujuan utama Program Penelitian Fusi Inersia DOE yang baru diluncurkan.
Departemen tersebut baru-baru ini mengumumkan bahwa mereka akan menginvestasikan $42 juta selama empat tahun untuk mendirikan tiga pusat penelitian baru untuk bekerja sama mencapai hal ini dan kemajuan ilmiah lainnya.
Masing-masing pusat ini akan mencakup laboratorium nasional, peneliti universitas, dan mitra industri.
Dan salah satu tokoh sentral dalam keseluruhan program fusi, fisikawan Annie Kritcher, juga berhasil masuk dalam 10 Ilmuwan Alam Terbaik Tahun Ini.
Pada tahun 2022, Annie Kritcher mencapai tujuan di National Ignition Facility (NIF) yang selama beberapa dekade sulit dicapai di laboratorium di seluruh dunia—mengompresi atom sedemikian ekstrem sehingga inti atomnya menyatu dan menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi oleh reaksi itu sendiri.
Namun setelah mencapai tonggak eksperimental ini (yaitu penyalaan), tim berada di bawah tekanan untuk mengulangi pencapaian tersebut.
Penelitian berisiko tinggi jarang berjalan mulus: tim melakukan replikasi pertamanya pada bulan Juni, namun hasilnya buruk.
Untungnya, upaya ketiga berhasil.
Pada tanggal 30 Juli, sinar laser 192-NIF menembakkan energi sebesar 2,05 megajoule pada bola kecil isotop hidrogen deuterium dan tritium yang dibekukan dalam silinder emas.
Ledakan yang diakibatkannya menyebabkan isotop melepaskan energi saat mereka berfusi menjadi helium dan menghasilkan suhu enam kali lipat suhu inti Matahari.
Pada akhirnya, hal ini menciptakan energi fusi sebesar 3,88 megajoule yang memecahkan rekor.
Di seluruh dunia, belum ada laboratorium yang mampu mewujudkan reaksi fusi yang menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi hingga NIF mencapai prestasi ini.
Kritcher dan timnya kemudian berhasil melakukan dua penyalaan lagi di bulan Oktober, sehingga total penyalaan menjadi empat.
Kritcher mulai meneliti energi fusi ketika dia magang musim panas di Livermore pada tahun 2004. Dia segera mengarahkan perhatiannya pada NIF - salah satu dari sedikit tempat di dunia di mana reaksi fusi dapat dipelajari.
Sejak itu, dia memimpin tim yang menganalisis data eksperimen dan menggunakan model komputer untuk merancang eksperimen - dengan menyesuaikan parameter seperti ukuran dan konfigurasi target serta energi dan waktu berbagai sinar laser - untuk mencapai dan meningkatkan hasil fusi. Setelah timnya menyelesaikan desain, tim eksperimen mengambil alih penembakan laser dan mengumpulkan data.
Proses tersebut telah menunjukkan Kritcher sebagai orang yang luar biasa, dan hal itu membawanya menjadi salah satu desainer utama di NIF pada tahun 2016.
Selama beberapa tahun berikutnya, Kritcher dan timnya telah menghitung dan mengubah desain program eksperimental utama NIF. Sambil melakukan berbagai perubahan pada target, tim juga memanfaatkan berbagai perbaikan untuk meningkatkan energi laser secara keseluruhan. Hasilnya adalah fusi nuklir semakin sering terwujud.
Dengan keberhasilan 'Ignition', Kritcher memulai serangkaian eksperimen baru - meningkatkan hasil lagi dengan mengirimkan lebih banyak energi laser ke kapsul target yang lebih tebal.
Dan ini merupakan langkah lain menuju pencapaian puluhan terajoule atau bahkan hasil yang lebih tinggi di NIF.
Fusi Terkendali, Cawan Suci Energi Bersih
Sederhananya, fusi nuklir adalah proses penggabungan dua inti atom ringan untuk membentuk inti yang lebih berat dan melepaskan energi dalam jumlah besar.
Dua atom hidrogen bertabrakan dan berpolimerisasi membentuk atom helium, yang memiliki massa sedikit lebih kecil dari atom hidrogen aslinya. Menurut persamaan massa-energi E=mc² yang ikonik dari Einstein, perbedaan massa ini diubah menjadi ledakan energi.
Di inti matahari, fusi 620 juta ton hidrogen terjadi setiap detik. Energi yang dihasilkan merupakan sumber seluruh kehidupan di Bumi.
Namun salah satu tantangan besar dalam memanfaatkan fusi nuklir adalah bagaimana membuat energi yang dilepaskan dari reaksi fusi lebih besar dari energi yang masuk dan membuat prosesnya berkelanjutan.
Prinsip Pengapian NIF
Pada tahun 1960-an, sekelompok ilmuwan perintis di LLNL berhipotesis bahwa laser dapat digunakan untuk menginduksi fusi nuklir di laboratorium.
Ide revolusioner ini kemudian berkembang menjadi fusi kurungan inersia di bawah kepemimpinan fisikawan John Nuckolls.
Untuk mewujudkan konsep ini, LLNL membangun serangkaian sistem laser yang semakin kuat, yang berpuncak pada NIF terbesar dan paling energik di dunia.
Dalam percobaannya, laser meniru kondisi di pusat Matahari dengan menggabungkan isotop hidrogen berat, deuterium dan tritium, menjadi helium.
Pertama, sejumlah pelet hidrogen ditempatkan ke dalam perangkat seukuran butiran lada, lalu sinar laser 192-yang kuat digunakan untuk memanaskan dan mengompresi bahan bakar hidrogen.
Laser, saat memasuki torus, menghantam dinding bagian dalam dan menyebabkannya memancarkan sinar-X, yang kemudian dapat memanaskannya hingga 100 juta derajat Celcius – lebih panas dari pusat matahari – dan memampatkannya hingga lebih dari 100 miliar kali lipat. tekanan atmosfer bumi.
Laser berenergi tinggi akan membuat permukaan gumpalan menjadi plasma, dan material pusat lainnya, yang didorong oleh hukum ketiga Newton, pada akhirnya akan runtuh ke arah pusat dan meledak.
Pada saat ledakan, reaksi berantai – atau “pengapian” – dapat terjadi jika jumlah panas dan tekanan yang tepat diterapkan pada pelet bahan bakar, yang kemudian melepaskan sejumlah besar energi.
Keajaiban teknik
Fasilitas Pengapian Nasional (NIF), yang memungkinkan semua hal di atas, juga merupakan pencapaian luar biasa di bidang teknik dan teknologi.
Ilmuwan material dan fisikawan laser bekerja sama dengan para insinyur untuk merancang fasilitas yang berisi 7.500 optik besar, 26,000 optik kecil, dan lebih dari 66,000 titik kontrol.
Optik dan komponen lainnya ini terdapat dalam sekitar 6.200 unit modular kompleks yang disebut Line Replacement Units (LRUs). Mereka dapat dengan cepat diganti bila diperlukan untuk memastikan pengoperasian fasilitas yang berkelanjutan.
Pulsa laser NIF menempuh jarak satu kilometer dan membutuhkan waktu 4,5 mikrodetik dari pembentukan pulsa awal di ruang osilator utama hingga mencapai target. Perbedaan waktu untuk mencapai bagian tengah ruang target adalah 30 pikodetik dengan akurasi 50 mikron.
Mencapai stabilitas penunjuk dan keakuratan mutlak pada target seperti ini merupakan tantangan teknik yang sangat besar, yang memerlukan stabilitas sistem pendukung optik yang kokoh, pemosisian dan penyelarasan komponen yang tepat, dan sistem pengaturan waktu terkomputerisasi yang sangat akurat.
Untuk memenuhi tantangan ini, semua struktur yang mendukung cermin dan lensa NIF dirancang dengan mempertimbangkan stabilitas ekstrem.
Tim teknik dengan cermat menghitung kemungkinan efek pada komponen laser, biasanya cermin laser, untuk semua sumber getaran termasuk pompa, motor, dan transformator.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) dan penyimpangan (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
Selain itu, untuk memastikan bahwa komponen garis pancaran tidak memengaruhi ruang kepala laser, tim menggunakan teknik pengukuran presisi, sehingga menghasilkan jaringan pengukuran yang ketat dan lokasi fisik yang terkontrol dari semua komponen garis pancaran. Posisi semua rumah balok, sistem pendukung, dan ruang target akurat hingga seperempat milimeter.
Informasi ini kemudian diberikan kepada tim desain, yang merancang struktur dengan kekakuan dan redaman yang cukup sehingga respons struktur terhadap getaran tanah dan getaran yang diharapkan dari peralatan konstruksi memenuhi persyaratan stabilitas keseluruhan.
Memastikan bahwa 192 sinar laser tiba dalam 30 pikodetik yang ditentukan dicapai melalui sistem pengaturan waktu yang presisi menggunakan sistem satelit GPS yang terus memperbarui jam internal. Perangkat lunak dan perangkat keras yang terintegrasi terus memantau dan memperbarui waktu untuk menjaga keakuratan.
Setiap antarmuka mekanis dirancang dengan toleransi lebih dari 300 femtodetik (tiga triliun detik), sehingga LRU dapat diubah kapan saja untuk menjaga keakuratan waktu. Selain itu, program yang dikontrol secara ketat menjaga pengaturan waktu sistem untuk setiap LRU.
Meskipun demikian, kami belum bisa menerapkan fusi nuklir pada pembangkit listrik dengan perangkat ini.
Namun dalam skala 60 tahun, umat manusia telah membuat terobosan besar.
Untuk kedepannya, kita mungkin juga bisa lebih banyak berimajinasi.
