في أغسطس 2022، عندما أطلق فريق العلماء في مرفق الإشعال الوطني (NIF) التابع لمختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) طلقة حققت إنتاجًا قدره 1.35 ميجا جول (MJ) من طاقة الاندماج مع 1.9 ميجا جول من طاقة الليزر، كان هذا إنجازًا علميًا طال انتظاره-يشير إلى احتراق الاندماج.
في وقت لاحق من نفس العام خلال تجربة اندماج قصوري أخرى (المعروفة أيضًا باسم الاندماج الموجه بالليزر-)، حقق العلماء عائدًا قدره 3.15 ميجا جول من طاقة الاندماج مع 2.05 ميجا جول من طاقة الليزر وحققوا الاشتعال. لقد كان تفاعل اندماج نووي حراري تم إنشاؤه داخل المختبر-وكان بمثابة بداية لسباق عالمي لوضع طاقة اندماجية مدفوعة بالليزر-حرة من الكربون-على الشبكة بحلول ثلاثينيات أو أربعينيات القرن الحالي.
"كانت هذه نقطة تحول عندما أظهر NIF لأول مرة بنجاح أن الاندماج بالقصور الذاتي أمر ممكن، والمفتاح هو الحصول على النوع الصحيح من الوقود-الديوتيريوم-التريتيوم- واستخدام الليزر لضغطه ودمجه لتوليد مكسب (طاقة خارجة أكثر من التي تم إدخالها)"، كما تقول أريانا جليسون، عالمة فريق العمل ونائبة مدير قسم علوم كثافة الطاقة العالية في SLAC. "إنه مثل الحفاظ على وقود النجم-فقط لجزء من الثانية داخل المختبر."
في أغسطس 2022، عندما أطلق فريق العلماء في مرفق الإشعال الوطني (NIF) التابع لمختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) طلقة حققت إنتاجًا قدره 1.35 ميجا جول (MJ) من طاقة الاندماج مع 1.9 ميجا جول من طاقة الليزر، كان هذا إنجازًا علميًا طال انتظاره-يشير إلى احتراق الاندماج.
في وقت لاحق من نفس العام خلال تجربة اندماج قصوري أخرى (المعروفة أيضًا باسم الاندماج الموجه بالليزر-)، حقق العلماء عائدًا قدره 3.15 ميجا جول من طاقة الاندماج مع 2.05 ميجا جول من طاقة الليزر وحققوا الاشتعال. لقد كان تفاعل اندماج نووي حراري تم إنشاؤه داخل المختبر-وكان بمثابة بداية لسباق عالمي لوضع طاقة اندماجية مدفوعة بالليزر-حرة من الكربون-على الشبكة بحلول ثلاثينيات أو أربعينيات القرن الحالي.
"كانت هذه نقطة تحول عندما أظهر NIF لأول مرة بنجاح أن الاندماج بالقصور الذاتي أمر ممكن، والمفتاح هو الحصول على النوع الصحيح من الوقود-الديوتيريوم-التريتيوم- واستخدام الليزر لضغطه ودمجه لتوليد مكسب (طاقة خارجة أكثر من التي تم إدخالها)"، كما تقول أريانا جليسون، عالمة فريق العمل ونائبة مدير قسم علوم كثافة الطاقة العالية في SLAC. "إنه مثل الحفاظ على وقود النجم-فقط لجزء من الثانية داخل المختبر."
تقدم هندسة الليزر للاندماج
تم إنشاء NIF خلال التسعينيات ويتميز بتقنية الليزر في ذلك الوقت. يقول جلينزر: "إننا نبني الآن أجهزة ليزر بكفاءة أكبر بكثير مما كنا نفعله في التسعينيات. وقد تقدمت تقنيتنا إلى حد يمكننا من خلاله الحصول على أشعة ليزر عالية الكفاءة بمعدلات التكرار التي نحتاجها للاندماج-عدة طلقات في الثانية". "ومن المثير للاهتمام أن الرقائق الدقيقة الموجودة داخل أجهزة iPhone يتم إنتاجها باستخدام تقنية الليزر التي خرجت بالفعل من برنامج دمج الليزر. وكان هذا أول نجاح تجاري لدمج الليزر."
في مجتمع الاندماج، تبتعد تكنولوجيا الليزر ببطء عن البنى القديمة التي كانت تعمل في الماضي-كانت أشعة الليزر المستندة إلى المصباح اليدوي-المضخوخة أو المصباح الوامض-"عمودًا قويًا للغاية"، كما يقول جليسون. "لكننا نحتاج إلى أجهزة أكثر كفاءة، لذلك نستخدم الصمام الثنائي-ليزر الحالة الصلبة-المضخوم (DPSSLs)."
وهذا يعني أن سلسلة التوريد الخاصة بأشعة الليزر DPSSL بحاجة إلى البناء، لأن الجميع يتجهون نحو منصة الليزر القياسية IFE لإجراء الاختبارات المطلوبة. يقول جليسون: "تعد أشعة الليزر المقترنة بالألياف- إحدى طرق نقل الضوء من موقع إلى آخر، وتستخدمها شركات الاتصالات في كل مكان، ولكن بينما يحاول مجتمع الاندماج الاستفادة من الجيل الحالي من بنيات الليزر ونبني أجهزة ليزر أكبر، نحتاج إلى أن نكون أكثر وعيًا بكيفية تبريد الأشياء. إنها مساحة ابتكار للشركات".
يستخدم ليزر الإكسيمر الغاز كوسيط و"يتمتع بسجل قوي لدى وزارة الدفاع (DoD) في مجال أسلحة الطاقة- الموجهة،" كما يقول جليسون. "إنه أيضًا الأساس لمفهوم الاندماج. لقد تم إحراز تقدم كبير باستخدام ليزر الإكسيمر، الذي يعتمد على عقود من الفيزياء والدراسات. إننا نحرز تقدمًا للحصول على مثل هذا الليزر القوي-ربما ضمن مساحة أصغر أو بكفاءة أفضل. كيف يمكنك تبريد هيكل ليزر كبير كهذا؟ هذه هي الأماكن التي يمكن للشركات الخاصة تطوير خلطتها السرية الخاصة بها."
مراكز الاندماج STARFIRE وRISE
تتم قيادة مركز الاندماج STARFIRE بواسطة LLNL، مع SLAC، لتسويق طاقة الاندماج التي تعتمد على الليزر-. وينصب تركيزها على تصميمات الأهداف ذات المكاسب العالية-، وتصنيع الأهداف، وأنظمة DPSSL. يشمل الأعضاء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا؛ جامعة كاليفورنيا، بيركلي؛ جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس؛ جامعة كاليفورنيا، سان دييغو؛ جامعة أوكلاهوما؛ جامعة روتشستر؛ تكساس ايه اند ام؛ معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر؛ مؤسسة ليفرمور لاب؛ مختبر أوك ريدج الوطني؛ مختبر نهر سافانا الوطني. شركة الطاقة المركزة؛ الذرات العامة؛ ليوناردو للإلكترونيات الولايات المتحدة؛ شركة لونجفيو فيوجن إنيرجي سيستمز إنك؛ ترامبف؛ وشركة Xcimer للطاقة.
يتمتع الفريق بإمكانية الوصول إلى مختبرات الليزر في SLAC، لذلك تتاح لهم فرصة استخدام مصدر الضوء المتماسك Linac (LCLS)، وهو ليزر الإلكترون الوحيد -الخالي من الأشعة السينية- (XFEL) في الولايات المتحدة، لفحص واستجواب المواد الكبسولة أو الوقود الاندماجي. تعمل بتردد 120 هرتز، لكنها ستعمل قريبًا بالميجا هرتز.
يقول جليسون: "نحن نستخدم ليزرين في وقت واحد في تجاربنا في SLAC. يعمل نبض ليزر طويل- على دفع موجات صادمة إلى العينة، ثم نقوم بفحصها باستخدام LCLS لمعرفة ما يحدث على أصغر المقاييس الطولية والزمنية لتحسين نماذجنا الفيزيائية". "نحن بحاجة إلى مقارنة التفاح بالتفاح لقياس ما إذا كان نموذجنا الفيزيائي صحيحًا. فهو لا يدعم ما تحتاجه المختبرات الوطنية فحسب، بل يمنح الشركات الخاصة أيضًا طريقة للتنبؤ بما إذا كان جزء من مفهومها سيعمل أم لا (على سبيل المثال، كيف يحاكيون مشاركتهم المستهدفة). ونحن نقدم لهم هذه البيانات المهمة من خلال الاستفادة من وصولنا إلى منصات الليزر والأدوات المختلفة."
وهناك مركز آخر، وهو RISE، تقوده SLAC وجامعة ولاية كولورادو، ويضم خبراء من جامعة كورنيل، وجامعة إلينوي، وتكساس A&M، ومختبر لوس ألاموس الوطني، ومختبر الأبحاث البحرية، وشركات خاصة-Xcimer Energy Corp.، وBlue Laser Fusion، وMarvel Fusion، و General Atomics- يعملون على أساليب مختلفة لمحرك الليزر.
يقول جلينزر: "لدى الجميع نهج موثوق به". "ولكن ليس الأمر وكأن شركة واحدة تحاول تحقيق كل ذلك-فهذا مجتمع ومركز اندماج على مستوى البلاد. يحاول الباحثون تطوير التقنيات ونحن نتعلم من بعضنا البعض لمحاولة سد فجوات البحث والتكنولوجيا بحلول ثلاثينيات القرن الحالي."
كثيرًا ما يسأل المستثمرون جلينزر عن شركة الاندماج التي سيدعمونها. ويقول: "يمكن لبعض شركات الليزر جني الأموال في وقت أبكر بكثير من خلال توصيل أشعة الليزر لإسقاط الطائرات بدون طيار داخل المجال الدفاعي". "لكن المستثمرين لا يحبون الفكرة حقًا لأنهم يريدون سوقًا يخدم الاندماج والكهرباء فقط. إنهم يريدون في الواقع أن تقوم هذه الشركات بتصنيع الاندماج حتى تتمكن من بيع الكهرباء. ومن المثير للاهتمام حقًا مدى تركيزهم على تحقيق الاندماج."
يقول جليسون إن مجتمع الاندماج "يدرك تمامًا متطلبات سلسلة التوريد لشركات الاندماج بحيث يكون لديها الموارد اللازمة ليس فقط لبناء خططها التجريبية التجريبية، ولكن بعد ذلك يكون لديها أسطول طويل الأمد من المفاعلات{{0}". "إنه نهج متعدد الجوانب من حيث المكان الذي يمكننا فيه الحصول على المواد الخام، ومن ثم المكونات المصنعة في جميع أنحاء الولايات المتحدة، لإنشاء سلسلة توريد محلية. هذا هو المفتاح."
ثلاثينيات أو أربعينيات القرن الحالي بالنسبة لمصنع اندماجي تجريبي؟
تعتبر الشراكات والتمويل العام-والخاص أمرًا بالغ الأهمية للاقتراب من وضع الاندماج القائم على الليزر-على الشبكة خلال ثلاثينيات القرن الحالي.
يقول جليسون: "إن دورنا هو في المقام الأول دعم التكنولوجيا الحيوية التي تحتاجها صناعة الاندماج/الشركات الخاصة والتخلص منها". "لكن بعض الشركات تقول إنها تتوقع أن يحدث ذلك خلال ثلاثينيات القرن الحالي."
حددت وزارة الطاقة الأمريكية هدف الثلاثينيات. يقول جلينزر: "هذا يعني أننا نريد سد جميع الفجوات في التكنولوجيا والتكنولوجيا البحثية، بعضها بحلول منتصف ثلاثينيات القرن الحالي، ثم بناء مصنع تجريبي". "يعتمد الأمر حقًا على مقدار الأموال المستثمرة، لكن من الواقعي توقع إنشاء مصنع تجريبي في أواخر الثلاثينيات أو أوائل الأربعينيات من القرن الحالي."
