เงินลงทุน 42 ล้านดอลลาร์! กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาสร้างศูนย์วิจัยเลเซอร์ฟิวชั่นหลัก 3 แห่ง

เมื่อวันพฤหัสบดีตามเวลาท้องถิ่น กระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ ประกาศว่ากำลังสร้างศูนย์วิจัย 3 แห่งโดยหวังว่าจะพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีพลังงานเฉื่อยฟิวชัน (IFE) ขั้นพื้นฐาน และใช้ระเบิดนิวเคลียร์แสนสาหัสขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ในโรงไฟฟ้าในอนาคต
ศูนย์ทั้งสามแห่งตั้งอยู่ที่ Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ในแคลิฟอร์เนีย มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโคโลราโด และมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ ในรัฐนิวยอร์ก จะแบ่งปันรายได้ทั้งหมด 42 ล้านดอลลาร์ในช่วงสี่ปี ในจำนวนนั้น 16 ล้านดอลลาร์สำหรับลิเวอร์มอร์และรัฐโคโลราโด และ 10 ล้านดอลลาร์สำหรับมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ ซึ่งเป็นเศษเสี้ยวเล็กน้อยของงบประมาณด้านวิทยาศาสตร์พลังงานฟิวชันของ DOE ซึ่งในปีนี้มีมูลค่ามากกว่าครึ่งพันล้านดอลลาร์
Scott Hsu หัวหน้าผู้ประสานงานฟิวชั่นของ DOE กล่าวว่าการวิจัยในอนาคตที่ศูนย์ทั้งสามแห่งจะ "มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับระบบฟิวชันเฉื่อยใดๆ มากขึ้น
พลังงานผลิตโดยการรวมอะตอมขนาดเล็ก 2 อะตอม ซึ่งมักจะเป็นไฮโดรเจน ให้เป็นอะตอมที่ใหญ่กว่า กระบวนการนี้เรียกว่า "ฟิวชัน" เป็นแหล่งพลังงานสำหรับดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ หากนิวเคลียร์ฟิวชันควบคุมสามารถผลิตซ้ำบนโลกได้ มันจะผลิตพลังงานปริมาณมากโดยไม่สร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ทำให้โลกร้อนหรือกากกัมมันตภาพรังสีที่มีอายุยืนยาว
ในปัจจุบัน การวิจัยพลังงานฟิวชันส่วนใหญ่และงบประมาณด้านวิทยาศาสตร์ฟิวชันส่วนใหญ่ของกระทรวงพลังงาน มุ่งเน้นไปที่เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้สนามแม่เหล็กอันทรงพลังเพื่อกักเก็บไฮโดรเจนที่ให้ความร้อนยวดยิ่งจนกระทั่งนิวเคลียสชนกันและรวมตัวกัน แต่การทดลองที่ประสบความสำเร็จซึ่งดำเนินการเมื่อปีที่แล้วที่ศูนย์จุดระเบิดแห่งชาติของลิเวอร์มอร์ (NIF) เน้นย้ำแนวทางที่แตกต่างออกไป นั่นคือการยิงเลเซอร์อันทรงพลังไปที่อนุภาคไฮโดรเจนแต่ละตัวเพื่อบีบอะตอมของพวกมันเข้าด้วยกันและก่อให้เกิดฟิวชันแวบเดียว
LLNL ประสบความสำเร็จในการจุดระเบิดฟิวชั่นที่ NIF สี่ครั้งจนถึงปัจจุบัน ล่าสุดทำได้โดยการยิงพลังงาน 2.2 เมกะจูล (MJ) ไปยังเป้าหมายการจุดระเบิด ทำให้เกิดพลังงานฟิวชันได้ 3.4 MJ NIF ไม่ได้ได้รับการออกแบบให้เป็นต้นแบบสำหรับการผลิตพลังงานฟิวชัน นับตั้งแต่ยุติการทดสอบนิวเคลียร์ในปี 1992 การทดสอบดังกล่าวได้ถูกนำมาใช้เพื่อช่วยบำรุงรักษาอาวุธนิวเคลียร์ของสหรัฐฯ เป็นหลัก ในการทดลองก่อนหน้านี้ การทดลองทางวิทยาศาสตร์ของ NIF ยิงพัลส์เลเซอร์เข้าไปในเม็ดเชื้อเพลิงไฮโดรเจน โรงไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงจะต้องยิงเลเซอร์พัลส์ซ้ำๆ ที่ความถี่ 10 ครั้งต่อวินาที โดยแต่ละพัลส์จะใส่เม็ดเชื้อเพลิงใหม่
เลเซอร์เหล่านี้จะต้องมีกำลังมากกว่า เชื่อถือได้มากกว่า และประหยัดพลังงานมากกว่าเลเซอร์ของ NIF เป้าหมายเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะต้องมีราคาถูกและง่ายต่อการผลิต โรงไฟฟ้าแห่งหนึ่งจะต้องมีการจัดหาเม็ดพลาสติกจำนวนหลายล้านเม็ดอย่างสม่ำเสมอ ศูนย์วิจัยแห่งใหม่จะช่วยแก้ไขอุปสรรคเหล่านี้
เครเมอร์ อัคลี ผู้ดูแลโครงการ Inertial Fusion Energy Sciences ของรัฐบาลกล่าวว่า DOE ได้รับใบสมัครจำนวนมาก และคณะผู้พิพากษาได้เลือกลิเวอร์มอร์ โรเชสเตอร์ และรัฐโคโลราโด โครงการที่ชนะแต่ละโครงการประกอบด้วยความร่วมมือกับมหาวิทยาลัยอื่นๆ ห้องปฏิบัติการระดับชาติ และบริษัทเอกชน
ดร. Akli กล่าวว่า "รวบรวมผู้ที่มีความคิดที่เฉียบแหลมที่สุดในสาขาของคุณ เพื่อให้คุณสามารถเร่งสร้างนวัตกรรมได้มากขึ้น และแก้ปัญหาความท้าทายบางประการของพลังงานเฉื่อยฟิวชัน"
เป้าหมายหลักประการหนึ่งของศูนย์มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์คือการทดสอบเลเซอร์ชนิดใหม่ที่สามารถยิงด้วยเชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้โดยตรง วิธีการนี้ประหยัดพลังงานมากกว่าวิธีที่ใช้ในการทดลอง NIF ที่ลิเวอร์มอร์ แต่หากความแปรผันเล็กน้อยของเลเซอร์ทำให้เกิดความไม่เสถียร พวกมันสามารถขัดขวางการหลอมรวมได้
ความไม่เสถียรนี้สามารถควบคุมได้หากเลเซอร์แพร่กระจายในช่วงความยาวคลื่น นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ได้ทำงานเกี่ยวกับแนวทางนี้ซึ่งเรียกว่าไดเร็กไดรฟ์มาหลายปีแล้ว และเงินทุนวิจัยจากศูนย์จะถูกนำมาใช้ในการทดลองเพื่อทดสอบว่าเลเซอร์กำลังสูงตัวใหม่สามารถเอาชนะปัญหานี้ได้หรือไม่ ซึ่งจะเป็นการเปิดเส้นทางไปยังโปรแกรมไดเร็กไดรฟ์
ศูนย์รัฐโคโลราโดจะศึกษาเลเซอร์หลากหลายชนิดที่เสนอสำหรับแนวคิดฟิวชั่นเฉื่อยที่แตกต่างกัน และตรวจสอบการออกแบบเป้าหมายเชื้อเพลิงที่แตกต่างกัน Carmen Menoni ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ซึ่งเป็นผู้นำข้อเสนอของศูนย์แห่งนี้ กล่าวว่า เธอจะศึกษาวัสดุใหม่สำหรับการเคลือบแสงด้วยเลเซอร์ เพื่อให้สามารถทนต่อการโจมตีด้วยเลเซอร์พลังงานสูงอย่างต่อเนื่องได้ดีขึ้น
Tammy Ma นักฟิสิกส์พลาสมาจาก Livermore National Laboratory (LLNL) กล่าวว่าจุดเน้นของศูนย์จะไปไกลกว่าแนวทางการขับเคลื่อนทางอ้อมที่ NIF ใช้ และเริ่มแก้ไขปัญหาที่จำเป็นในการสร้างโรงไฟฟ้าจริง “ไม่ใช่แค่ว่าคุณมีเป้าหมายและโจมตีและสร้างพลังงาน”
การวิจัยเบื้องต้นควรช่วยให้กระจ่างว่าแนวทางใดมีแนวโน้มมากที่สุด ดร. แทมมี่ หม่า กล่าวว่า "การลงทุนจะไม่เพียงพอที่จะค้นหาคำตอบเหล่านั้นได้จริงๆ แต่ฉันคิดว่าภายในสี่ปีข้างหน้า เราจะสามารถกำหนดเส้นทางที่มีความหวังสำหรับสหรัฐอเมริกาในการแสดงให้เห็นศักยภาพเต็มรูปแบบ โรงงานนำร่องขนาด”
เจนนิเฟอร์ เอ็ม. แกรนโฮล์ม รัฐมนตรีกระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ กล่าวว่า "การควบคุมพลังงานฟิวชันเป็นหนึ่งในความท้าทายทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งศตวรรษที่ 21 ขณะนี้เรามั่นใจว่าพลังงานฟิวชันไม่เพียงแต่เป็นไปได้เท่านั้น แต่ยังมีแนวโน้มที่ดีอย่างยิ่ง นักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์เหล่านี้จะ อยู่ในแนวหน้าของการพัฒนาที่เปลี่ยนแปลงเกมและช่วยโลก"
โครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจากโครงการ Accelerated Research in Inertial Fusion Energy Science and Technology (IFE-star) จะรวบรวมความเชี่ยวชาญและความสามารถของห้องปฏิบัติการ นักวิชาการ และอุตสาหกรรมระดับชาติของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เพื่อพัฒนาส่วนประกอบของระบบ IFE ฟิวชั่นจำกัดแรงเฉื่อยเป็นวิธีฟิวชันชั้นนำที่ใช้เลเซอร์หรือเทคโนโลยีอื่นๆ ในการบีบอัดและให้ความร้อนกับพลาสมาที่มีความหนาแน่นสูง โปรแกรม IFE-star จะพัฒนา: การออกแบบเป้าหมายที่ได้รับผลตอบแทนสูง; เลเซอร์ประสิทธิภาพสูงที่มีอัตราการทำซ้ำสูง และการสร้างเป้าหมายฟิวชั่น การติดตาม และการมีส่วนร่วมที่เกี่ยวข้องกับชีวิต โปรแกรม IFE-star ได้รับการออกแบบมาเพื่อมอบเทคโนโลยีที่หลากหลายเพื่อรองรับระบบ IFE รวมถึงการใช้เลเซอร์ เลเซอร์ และเลเซอร์ในการใช้งานที่หลากหลาย องค์ประกอบหลักของโครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนคือการจัดการระบบนิเวศเฉื่อยฟิวชัน รวมถึงการพัฒนาบุคลากรที่ครอบคลุมและหลากหลาย
ห้องทดลองพลังงานเลเซอร์ (LLE) ของมหาวิทยาลัย Rochester ซึ่งขับเคลื่อนโดยเจ้าหน้าที่ของ Rochester จำนวน 400 คน เป็นผู้นำในด้านพลังงาน วิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีมายาวนาน เมื่อปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore ซึ่งได้รับการสนับสนุนจาก LLE ได้บรรลุเป้าหมายการเพิ่มพลังงานสุทธิครั้งแรก
ผลจากความก้าวหน้าที่โรงงานจุดระเบิดแห่งชาติของ Lawrence Livermore National Laboratory ทำให้เกิดการหลอมรวมแบบจำกัดแรงเฉื่อยจึงได้รับความสนใจและความสนใจมากยิ่งขึ้น โครงการดาว IFE มีเป้าหมายเพื่อแก้ไขช่องว่างทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทั่วไปในแผนงานเทคโนโลยีที่คาดการณ์ไว้ของบริษัทฟิวชั่น IFE ที่เข้าร่วม ในโปรแกรมการพัฒนา Milestone Fusion ของสำนักงานวิทยาศาสตร์ โดยกล่าวถึงโอกาสในการวิจัยที่มีการจัดลำดับความสำคัญตามที่ระบุไว้ในรายงาน IFE Workshop เกี่ยวกับความต้องการการวิจัยขั้นพื้นฐาน ความคืบหน้าอย่างต่อเนื่อง ต่างจากฟิวชั่นกักขังด้วยแม่เหล็กซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาการเผาไหม้พลาสมาเป็นเวลานาน IFE จะต้องมีการก่อตัวของพัลส์ซ้ำ ๆ เป้าหมายหนึ่งคือการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่จำเป็นในการย้ายฟิวชั่นเฉื่อยจากการทดลองเดี่ยวที่ได้กำไรต่ำ ไปสู่อัตราการทำซ้ำที่สูงและได้สูงซึ่งจำเป็นสำหรับโรงงานต้นแบบ IFE ที่มีศักยภาพ
กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกากำลังจัดตั้งโครงการเฉพาะผ่าน IFE-star โครงการที่ได้รับเลือกจะสร้างและใช้ประโยชน์จากความสามารถ ความเชี่ยวชาญ การวินิจฉัย และสิ่งอำนวยความสะดวกระดับชั้นนำของโลก และ IFE-star จะขยายงานวิจัยของ IFE ที่ได้รับทุนสนับสนุนร่วมกันจาก DOE Advanced Research Projects Agency for Energy (ARPA-E) และสำนักงานวิทยาศาสตร์ .