A corrida pela energia de fusão-movida a laser esquenta

Em agosto de 2022, quando a equipe de cientistas do National Ignition Facility (NIF) do Lawrence Livermore National Lab (LLNL) disparou um tiro que atingiu um rendimento de 1,35 megajoules (MJ) de energia de fusão com 1,9 MJ de energia laser, foi um avanço científico há muito aguardado, sinalizando queima de fusão.

Mais tarde naquele mesmo ano, durante outro experimento de fusão inercial (também conhecida como fusão-acionada por laser), os cientistas alcançaram um rendimento de 3,15 MJ de energia de fusão com 2,05 MJ de energia de laser e atingiram a ignição. Foi uma reação de fusão termonuclear criada em laboratório-e deu início a uma corrida global para colocar na rede energia de fusão-livre de carbono-acionada por laser até a década de 2030 ou 2040.

"Este foi um ponto de viragem quando o NIF mostrou pela primeira vez com sucesso que a fusão inercial era possível, e a chave é ter o tipo certo de combustível -deutério-trítio-e usar lasers para comprimi-lo e fundi-lo para gerar ganho (mais energia fora do que colocada)", diz Arianna Gleason, cientista da equipe e vice-diretora da divisão High Energy Density Science do SLAC. "É como sustentar o combustível de uma estrela-apenas por uma fração de segundo dentro de um laboratório."

Em agosto de 2022, quando a equipe de cientistas do National Ignition Facility (NIF) do Lawrence Livermore National Lab (LLNL) disparou um tiro que atingiu um rendimento de 1,35 megajoules (MJ) de energia de fusão com 1,9 MJ de energia laser, foi um avanço científico há muito aguardado, sinalizando queima de fusão.

Mais tarde naquele mesmo ano, durante outro experimento de fusão inercial (também conhecida como fusão-acionada por laser), os cientistas alcançaram um rendimento de 3,15 MJ de energia de fusão com 2,05 MJ de energia de laser e atingiram a ignição. Foi uma reação de fusão termonuclear criada em laboratório-e deu início a uma corrida global para colocar na rede energia de fusão-livre de carbono-acionada por laser até a década de 2030 ou 2040.

"Este foi um ponto de viragem quando o NIF mostrou pela primeira vez com sucesso que a fusão inercial era possível, e a chave é ter o tipo certo de combustível -deutério-trítio-e usar lasers para comprimi-lo e fundi-lo para gerar ganho (mais energia fora do que colocada)", diz Arianna Gleason, cientista da equipe e vice-diretora da divisão High Energy Density Science do SLAC. "É como sustentar o combustível de uma estrela-apenas por uma fração de segundo dentro de um laboratório."

Arquitetura laser avança para fusão

O NIF foi construído na década de 1990 e conta com a tecnologia laser da época. "Construímos lasers com muito mais eficiência agora do que na década de 1990. Nossa tecnologia avançou a um ponto em que podemos ter lasers altamente eficientes com taxas de repetição necessárias para a fusão -muitos disparos por segundo", diz Glenzer. “Curiosamente, os microchips dentro dos iPhones são produzidos com tecnologia laser que na verdade surgiu do programa de fusão a laser. Foi o primeiro sucesso comercial da fusão a laser.”

Na comunidade de fusão, a tecnologia laser está lentamente se afastando das arquiteturas mais antigas que funcionavam no passado.-os lasers baseados em lanternas-bombeadas ou flashlamp-eram "um carro-chefe muito forte", diz Gleason. "Mas precisamos de modelos mais eficientes, por isso estamos usando lasers de estado sólido-bombeados-de diodo (DPSSLs)."

Isso significa que a cadeia de fornecimento de lasers DPSSL precisa ser construída, porque todos estão migrando para a plataforma de laser padrão IFE para os testes necessários. "Os lasers acoplados-de fibra são um método para mover a luz de um local para outro, usado onipresentemente pelas telecomunicações, mas à medida que a comunidade de fusão tenta aproveitar a geração atual de arquiteturas de laser e construímos lasers maiores, precisamos estar mais atentos à forma como as coisas são resfriadas. É um espaço de inovação para as empresas", diz Gleason.

Os lasers Excimer usam gás como meio e "têm um forte histórico com o Departamento de Defesa (DoD) para armas de energia-dirigida", diz Gleason. "É também a base para um conceito de fusão. Grande progresso está sendo feito com lasers excimer, que se baseiam em décadas de física e estudos. Estamos fazendo progresso para ter um laser tão poderoso-talvez com uma área menor ou com melhor eficiência. Como resfriar uma estrutura de laser tão grande? Esses são lugares onde empresas privadas podem desenvolver seu próprio molho secreto."

Centros de fusão STARFIRE e RISE

O centro de fusão STARFIRE é liderado pelo LLNL, com SLAC, para comercializar energia de fusão-acionada por laser. Seu foco são projetos de alvos de alto-ganho, fabricação de alvos e DPSSLs. Os membros incluem MIT; Universidade da Califórnia, Berkeley; Universidade da Califórnia, Los Angeles; Universidade da Califórnia, San Diego; Universidade de Oklahoma; Universidade de Rochester; Texas A&M; Instituto Fraunhofer de Tecnologia Laser; Fundação Laboratório Livermore; Laboratório Nacional de Oak Ridge; Laboratório Nacional de Savannah River; Energia Focada Inc.; Atômica Geral; Leonardo Eletrônica EUA; Longview Fusion Energy Systems Inc.; TRUMPF; e Xcimer Energy Corp.

A equipe tem acesso a laboratórios de laser no SLAC, então eles têm a oportunidade de usar a Linac Coherent Light Source (LCLS), o único laser de elétrons livres de-raios X-(XFEL) nos EUA, para sondar e interrogar materiais de cápsulas ou o combustível de fusão. Opera em 120 Hz, mas em breve operará em megahertz.

"Usamos dois lasers ao mesmo tempo em nossos experimentos no SLAC. Um laser-de pulso longo envia ondas de choque para a amostra e, em seguida, investigamos com o LCLS para ver o que está acontecendo no menor comprimento e escalas de tempo para melhorar nossos modelos físicos", diz Gleason. "Precisamos comparar maçãs com maçãs para avaliar se nosso modelo físico está correto. Ele sustenta não apenas o que os laboratórios nacionais precisam, mas também dá às empresas privadas uma maneira de prever se parte de seu conceito funcionará ou não (por exemplo, como eles estão simulando seu envolvimento com o alvo). E estamos fornecendo esses dados críticos a eles, aproveitando nosso acesso a diferentes plataformas de laser e instrumentos. "

Outro centro, o RISE, é liderado pelo SLAC e pela Colorado State University e envolve especialistas da Cornell University, da Universidade de Illinois, do Texas A&M, do Laboratório Nacional de Los Alamos, do Laboratório de Pesquisa Naval e de empresas privadas-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion e General Atomics-que trabalham em diferentes abordagens para um driver de laser.

“Todos têm uma abordagem credível”, diz Glenzer. "Mas não é como se uma empresa tentasse fazer tudo acontecer-esta é uma comunidade e um centro de fusão nacional. Os pesquisadores estão tentando fazer avançar as tecnologias e estamos aprendendo uns com os outros para tentar preencher as lacunas de pesquisa e tecnologia até 2030."

Glenzer é frequentemente questionado por investidores sobre qual empresa de fusão apoiar. “Algumas das empresas de laser podem ganhar dinheiro muito mais cedo, fornecendo lasers para abater drones no espaço de defesa”, diz ele. “Mas os investidores não gostam muito da ideia porque querem um mercado que sirva apenas fusão e electricidade. Na verdade, querem que estas empresas façam fusão para que possam vender electricidade.

A comunidade de fusão está "muito consciente dos requisitos da cadeia de fornecimento para que as empresas de fusão tenham os recursos não apenas para desenvolver seus planos piloto de demonstração, mas também para ter uma frota-de reatores de longo prazo", diz Gleason. "É uma abordagem multifacetada em termos de onde podemos obter as matérias-primas e, em seguida, fabricar componentes nos EUA, para estabelecer uma cadeia de abastecimento nacional. Isto é fundamental."