Nell'anniversario di un anno dal raggiungimento di una resa di oltre 1,3 megajoule presso il National Ignition Facility dell'LLNL, i risultati scientifici di questo esperimento record sono stati pubblicati in tre articoli sottoposti a revisione paritaria:uno in Physical Review Letters e due in Physical Review E . Questa immagine stilizzata mostra un bersaglio criogenico utilizzato per questi esperimenti di fusione inerziale da record. Credito:James Wickboldt/LLNL
Dopo decenni di ricerca sulla fusione a confinamento inerziale, l'8 agosto 2021 è stata raggiunta per la prima volta una resa di oltre 1,3 megajoule (MJ) presso la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL's), mettendo i ricercatori alla soglia del guadagno di fusione e il raggiungimento dell'accensione scientifica.
In occasione del primo anniversario di questo risultato storico, i risultati scientifici di questo esperimento record sono stati pubblicati in tre articoli sottoposti a revisione paritaria:uno in Physical Review Letters e due in Physical Review E . Più di 1.000 autori sono inclusi in una delle Lettere di revisione fisica carta per riconoscere e riconoscere le molte persone che hanno lavorato in molti decenni per consentire questo significativo progresso.
"Il colpo record è stato un importante progresso scientifico nella ricerca sulla fusione, che stabilisce che l'accensione della fusione in laboratorio è possibile al NIF", ha affermato Omar Hurricane, scienziato capo del programma di fusione a confinamento inerziale di LLNL. "Il raggiungimento delle condizioni necessarie per l'accensione è stato un obiettivo di vecchia data per tutta la ricerca sulla fusione a confinamento inerziale e apre l'accesso a un nuovo regime sperimentale in cui l'autoriscaldamento delle particelle alfa supera tutti i meccanismi di raffreddamento nel plasma di fusione".
Gli articoli descrivono, in dettaglio, i risultati dell'8 agosto 2021 e la progettazione, i miglioramenti e le misurazioni sperimentali associati. Il fisico LLNL Alex Zylstra, capo sperimentatore e primo autore della Physical Review E sperimentale documento, ha osservato che nel 2020 e all'inizio del 2021 il Lab ha condotto per la prima volta esperimenti nel regime del "plasma in fiamme", che ha posto le basi per il record.
"Da quel progetto, abbiamo apportato diversi miglioramenti per arrivare allo scatto dell'8 agosto 2021", ha affermato. "I miglioramenti alla progettazione fisica e alla qualità del bersaglio hanno contribuito a portare al successo lo scatto di agosto, di cui si parla nella Revisione fisica E documenti."
Questo esperimento ha incorporato alcune modifiche, tra cui una migliore progettazione del bersaglio. "Ridurre il tempo di inerzia con hohlraum più efficienti rispetto agli esperimenti precedenti è stato fondamentale per passare dal plasma in fiamme ai regimi di accensione", ha affermato la fisica dell'LLNL Annie Kritcher, lead designer e prima autrice dell'altro Physical Review E carta. "Le altre modifiche principali sono state il miglioramento della qualità della capsula e un tubo di riempimento del carburante più piccolo."
Questa immagine in tre parti mostra la caratteristica geometria del bersaglio in spaccato (a) che include un hohlraum di uranio impoverito rivestito d'oro che circonda una capsula HDC con alcune caratteristiche etichettate. La capsula, di circa 2 mm di diametro, al centro dell'hohlraum di circa 1 cm di altezza, occupa una piccola frazione del volume. I raggi laser entrano nel bersaglio in corrispondenza delle aperture superiore e inferiore, chiamate fori di ingresso del laser. In (b), la potenza totale del laser (blu) rispetto al tempo e la temperatura simulata della radiazione hohlraum per l'esperimento dell'8 agosto 2021 sono mostrati con alcuni elementi chiave etichettati. Tutte le immagini sono 100 micron quadrati. I dati di imaging vengono utilizzati per ricostruire il volume del plasma dell'hotspot necessario per dedurre la pressione e altre proprietà del plasma. Credito:Lawrence Livermore National Laboratory
Dall'esperimento dello scorso agosto, il team ha eseguito una serie di esperimenti per tentare di ripetere la performance e per comprendere le sensibilità sperimentali in questo nuovo regime.
"Molte variabili possono influenzare ogni esperimento", ha detto Kritcher. "I 192 raggi laser non funzionano esattamente allo stesso modo da un colpo all'altro, la qualità dei bersagli varia e lo strato di ghiaccio cresce a rugosità diverse su ciascun bersaglio. Questi esperimenti hanno fornito l'opportunità di testare e comprendere la variabilità intrinseca in questo nuovo, sensibile regime sperimentale."
Sebbene i tentativi ripetuti non abbiano raggiunto lo stesso livello di resa di fusione dell'esperimento di agosto 2021, tutti hanno dimostrato un guadagno della capsula maggiore dell'unità con rese nell'intervallo 430-700 kJ, significativamente superiore alla precedente resa massima di 170 kJ di febbraio 2021. I dati ottenuti da questi e altri esperimenti stanno fornendo indizi cruciali su cosa è andato bene e quali modifiche sono necessarie per ripetere quell'esperimento e superare le sue prestazioni in futuro. Il team sta inoltre utilizzando i dati sperimentali per comprendere ulteriormente i processi fondamentali dell'accensione e della combustione della fusione e per migliorare gli strumenti di simulazione a sostegno della gestione delle scorte.
Guardando al futuro, il team sta lavorando per sfruttare i dati sperimentali e le simulazioni accumulati per passare a un regime più solido, oltre la scogliera di accensione, in cui le tendenze generali riscontrate in questo nuovo regime sperimentale possono essere meglio separate dalla variabilità dei target e delle prestazioni del laser.
Sono in corso sforzi per aumentare le prestazioni e la robustezza della fusione attraverso miglioramenti al laser, miglioramenti agli obiettivi e modifiche al design che migliorano ulteriormente l'erogazione di energia all'hotspot mantenendo o addirittura aumentando la pressione dell'hotspot. Ciò include il miglioramento della compressione del combustibile da fusione, l'aumento della quantità di combustibile e altre strade.
"È estremamente eccitante avere una 'prova di esistenza' di accensione in laboratorio", ha detto Hurricane. "Stiamo operando in un regime a cui nessun ricercatore ha avuto accesso dalla fine dei test nucleari ed è un'incredibile opportunità per espandere le nostre conoscenze mentre continuiamo a fare progressi". + Esplora ulteriormente
