เป็นเวลากว่า 75 ปีแล้วที่มันเป็นความฝันที่จะสร้างฟิวชั่นคล้ายดวงอาทิตย์บนโลกขึ้นมาใหม่ ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทั่วโลกได้ใช้เงินนับหมื่นล้านดอลลาร์ไปกับวิธีการฟิวชันต่างๆ แต่ได้ต่อสู้ดิ้นรนมายาวนานเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย "การเพิ่มพลังงานสุทธิ"
อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งหนึ่งปีที่แล้ว ทุกอย่างก็เปลี่ยนไป
เมื่อวันที่ 5 ธันวาคม 2022 ที่ National Ignition Facility (NIF) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore (LLNL) เลเซอร์ที่ใหญ่ที่สุดและพลังงานสูงที่สุดในโลกยิงลำแสงเลเซอร์ 192 ลำแล้วชี้ไปที่เป้าหมายขนาดเท่าเมล็ดพริกไทย ทำให้เกิด "ดวงอาทิตย์" ดวงเล็กๆ " บนโลก. หลังจากยิงพลังงานเลเซอร์ 2.05 เมกะจูลไปที่เป้าหมาย การทดลองดังกล่าวได้ผลิตพลังงานฟิวชันมากกว่าที่ใช้ในการจุดเชื้อเพลิงฟิวชันโดยสร้างพลังงานออกมา 3.15 เมกะจูล ซึ่งเป็นความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญในรอบหลายทศวรรษ
ทลายขีดจำกัดพลังงานเลเซอร์อีกครั้ง
น่ายินดีที่ National Ignition Facility (NIF) ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore (LLNL) ในสหรัฐอเมริกาได้สร้างสถิติใหม่ด้านพลังงานเลเซอร์ โดยปล่อยพลังงาน 2.2 เมกะจูล (MJ) เป็นครั้งแรกไปยังเป้าหมายการจุดระเบิด
การทดลองที่เพิ่งรายงานซึ่งดำเนินการเมื่อวันที่ 30 ตุลาคม ผลิตพลังงานฟิวชันได้ 3.4 MJ สามารถจุดติดไฟได้ และสร้างผลผลิตนิวตรอนสูงสุดเป็นอันดับสองเท่าที่เคยมีมาที่ NIF
กอร์ดอน บรันตัน ผู้อำนวยการ National Ignition Facility (NIF) กล่าวว่า "ระดับพลังงานเลเซอร์ที่เป็นประวัติการณ์นี้เป็นความสำเร็จอันเหลือเชื่อที่ต้องใช้เวลาหลายปีในการทำงานหนักเพื่อให้บรรลุ และถือเป็นความสำเร็จครั้งที่สี่ของเราในการสาธิตการจุดระเบิดฟิวชั่นที่ NIF งานนี้ เป็นพื้นฐานของภารกิจของห้องปฏิบัติการ พร้อมด้วยความสามารถใหม่ๆ ที่สามารถสนับสนุนโครงการ Stockpile Stewardship ของหน่วยงานความมั่นคงนิวเคลียร์แห่งชาติ และหวังว่าจะนำเราเข้าใกล้อนาคตของพลังงานฟิวชันมากขึ้น"
เมื่อวันที่ 5 ธันวาคม 2022 LLNL ประสบความสำเร็จในการจุดระเบิดแบบฟิวชั่นเป็นครั้งแรก ครั้งที่สองคือวันที่ 30 กรกฎาคม 2023 เมื่อเลเซอร์ NIF ส่งพลังงาน 2.05 เมกะจูลไปยังเป้าหมายในการทดลองฟิวชั่นแบบควบคุม ทำให้เกิดพลังงานฟิวชันที่ 3.88 เมกะจูล ซึ่งเป็นพลังงานที่ได้รับสูงสุดจนถึงปัจจุบัน ครั้งที่สามที่ เลเซอร์ NIF ประสบความสำเร็จในการจุดระเบิดฟิวชันเมื่อวันที่ 8 ตุลาคม 2023 โดยมีพลังงานเลเซอร์ 1.9 MJ และเอาต์พุตพลังงานฟิวชัน 2.4 MJ
ความก้าวหน้าที่สำคัญของนิวเคลียร์ฟิวชัน
Jean-Michel Di Nicola ผู้อำนวยการโครงการร่วมของ NIF และ Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organisation กล่าวว่า "เราอยู่ในช่วงการเติบโตที่สูงชัน" การเพิ่มพลังงานเลเซอร์ทำให้เรามีเวลามากขึ้นในการแก้ไขปัญหาต่างๆ เช่น เชื้อเพลิง ข้อบกพร่องของแคปซูลหรือความไม่สมดุลของจุดเชื่อมต่อเชื้อเพลิง พลังงานเลเซอร์ที่สูงขึ้นช่วยให้เกิดการระเบิดที่เสถียรยิ่งขึ้น ซึ่งจะนำไปสู่ผลผลิตพลังงานที่สูงขึ้น "
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าความสามารถของเลเซอร์ในการส่งพลังงานได้มากขนาดนี้ และความท้าทายคือการปกป้องเลนส์อันมีค่าของ NIF จากความเสียหายที่เป็นเศษซาก Bruno Van Wonterghem ผู้จัดการฝ่ายปฏิบัติการของ NIF กล่าว: "ตัวเลเซอร์เองสามารถสร้างพลังงานที่สูงขึ้นได้โดยไม่ต้องทำการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐานกับเลเซอร์ เราทำทุกอย่างนี้เพื่อเพิ่มการควบคุมความเสียหายให้สูงสุด ท้ายที่สุดแล้ว ถ้ามีพลังงานมากเกินไปโดยไม่มีการป้องกันที่เหมาะสม เลนส์ของคุณจะถูกระเบิดเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย"
NIF จัดการระบบเลเซอร์เพียงระบบเดียวในโลกที่ทำงานเกินเกณฑ์ความเสียหาย ซึ่งส่วนหนึ่งเกิดขึ้นจากสิ่งที่เรียกว่า Optical Recycling Loop
เลเซอร์ที่แข็งแกร่งกว่า ประสิทธิภาพที่ดีกว่า
มาตรการบรรเทาผลกระทบหลัก 2 ประการที่เสร็จสมบูรณ์ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2566 มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการส่งพลังงานเลเซอร์ 2.2 MJ ไปยังเป้าหมาย ได้แก่ การใช้แผ่นป้องกันเศษซิลิกาที่หลอมละลายบนสองในสามของลำแสงของ NIF และการติดตั้งแผ่นป้องกันโลหะบนลำแสงในซีกโลกล่าง 32 เส้น ซึ่งขึ้นอยู่กับลำแสง ซึ่งได้ลดอัตราความเสียหายที่เกิดจากเศษซากลงเป็นปัจจัยที่ลดลงเป็นปัจจัย 10-100 เลนส์ลำแสงด้านล่างเหล่านี้รับเศษชิ้นส่วนส่วนใหญ่จากห้องเป้าหมายเนื่องจากแรงโน้มถ่วง
การปรับปรุงอื่นๆ ได้แก่ การเคลือบป้องกันแสงสะท้อนแบบใหม่ การบำบัดด้วยไอเฮกซาเมทิลไดอะซีเพน (HMDS) และความจุที่เพิ่มขึ้นของวงจรการกู้คืนแสง สารบรรเทาทุกข์ชนิดใหม่ - ตัวป้องกันขอบสีเทา - แก้ปัญหาที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ระบุ
"มีลำแสงบางส่วนที่ทำงานไม่ดีเท่าลำแสงอื่นๆ" Di Nicola กล่าว "และเราพบว่าถ้าเราลดความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ลงอย่างมากโดยการพ่นเงาบนขอบด้านหนึ่งของลำแสง ลำแสงเหล่านั้นจะทำงานได้ดีขึ้น เรายังไม่แน่ใจว่าสาเหตุของปัญหาคืออะไร แต่เราจะตรวจสอบเรื่องนี้อย่างจริงจังในอนาคต"
นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ทำงานเกี่ยวกับระบบเลเซอร์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก NIF และ Tayyab Suratwala หัวหน้าผู้แทน OMST กล่าวว่า "เราได้ตรวจสอบความเสียหายของเลเซอร์อย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว และระบุว่ามาตรการบรรเทาผลกระทบนั้นเป็นแบบจำลองและทดสอบ อย่างไรก็ตาม แต่ละมาตรการ เมื่อเราเพิ่มพลังงานเลเซอร์ เราจะเข้าสู่ดินแดนที่ไม่เคยมีมาก่อนและเปิดเผยกลไกใหม่ของความเสียหาย"
พลังงานที่มากขึ้นเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะรักษาบันทึกการค้นพบทางวิทยาศาสตร์อันน่าทึ่งของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ดิ นิโคลา: "คุณต้องเหวี่ยงค้อนที่ใหญ่กว่านั้นด้วยการควบคุมและทักษะ ชีพจรเลเซอร์คงอยู่เพียงหนึ่งในพันล้านวินาที ดังนั้นคุณจึงต้อง ต้องแม่นยำมากเพื่อทำให้ถูกต้อง"
ด้วยเหตุนี้ ทีมงานจึงเพิ่งเสร็จสิ้นการติดตั้งระบบ High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS) ซึ่งทำให้การสร้างพัลส์แม่นยำและแม่นยำยิ่งขึ้น HiFiPS เป็นโครงการที่ใช้เวลาหลายปีในการสร้างเพื่อให้เกิดความสมดุลของพลังงานที่ดีขึ้นและการควบคุมแบบสมมาตรในการระเบิด
ในการปรับปรุงอีกอย่างหนึ่ง ทีมงานได้ตกแต่งเส้นใยนำแสงของอุปกรณ์ใหม่เพื่อให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นต่อการสัมผัสนิวตรอนซ้ำๆ เส้นใยเหล่านี้ใช้เพื่อวัดพัลส์เลเซอร์ที่ส่งไปยังเป้าหมายอย่างแม่นยำ การปรับปรุงใหม่เพิ่มความแรงของสัญญาณขึ้น 10-100 ทำให้นักวิจัยสามารถ "เห็น" ประสิทธิภาพของเลเซอร์ต่อไปได้
ความหวังในอนาคตคืออะไร?
ปัจจุบันเลเซอร์ส่งพลังงานเลเซอร์ไปแล้ว 2.2 เมกะจูล ทีมงานกลับไปสู่ขั้นตอนการวิจัยและดำเนินการกระบวนการเดียวกันหลังจากการทดลองครั้งแรกที่ทำให้เกิดการจุดระเบิดฟิวชัน
เรากำลังพิจารณาด้านทัศนศาสตร์ ประเมินความเสียหาย และทำความเข้าใจว่าเราสามารถใช้ความสามารถใหม่นี้ได้บ่อยแค่ไหน" นายสุราษฎร์วลากล่าว ในระหว่างนี้ เรากำลังเฉลิมฉลองความสำเร็จครั้งสำคัญนี้ ซึ่งเป็นผลมาจากการทำงานหนักเป็นเวลาหลายปีโดยกลุ่มใหญ่ ทีมงานภายใน LLNL และพันธมิตรภายนอกจำนวนมาก"
