Fusion, tái tạo phản ứng tương tự cung cấp năng lượng cho mặt trời, từ lâu đã được xem là nguồn năng lượng lý tưởng do tiềm năng an toàn, sạch, rẻ và đáng tin cậy.
Xem qua bộ khuếch đại đĩa 20 cm của laser OMEGA tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser. Trong một thí nghiệm chứng minh nguyên lý quy mô nhỏ, các nhà nghiên cứu ở Rochester đã sử dụng tia laser để chứng minh một bước quan trọng trong khái niệm lớp vỏ động. Nguồn: Ảnh của Đại học Rochester / J. Adam Fenster
Kể từ đầu những năm 1960, các nhà khoa học đã theo đuổi khả năng sử dụng tia laser công suất cao để nén vật liệu nhiệt hạch đủ lâu và ở nhiệt độ đủ cao để kích hoạt quá trình đánh lửa - điểm mà tại đó tổng năng lượng nhiệt hạch quán tính sinh ra lớn hơn năng lượng cung cấp cho hạt nhân . mục tiêu.
Các nhà khoa học đã đạt được sự đánh lửa vào tháng 12 năm 2022 tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, nhưng vẫn còn nhiều trở ngại trong việc tạo ra năng lượng nhiệt hạch khả thi về mặt kỹ thuật và thương mại cho sản xuất và tiêu thụ hàng loạt.
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Laser (LLE) của Đại học Rochester lần đầu tiên đã chứng minh bằng thực nghiệm một phương pháp gọi là hình thành lớp vỏ động, có thể giúp đạt được mục tiêu tạo ra một nhà máy điện nhiệt hạch.
Các nhà nghiên cứu, bao gồm Igor Igumenshchev, nhà khoa học cấp cao tại LLE, và Valeri Goncharov, nhà khoa học nổi tiếng và giám đốc bộ phận lý thuyết tại LLE và trợ lý giáo sư (nghiên cứu) tại Khoa Cơ khí, thảo luận về những phát hiện của họ trong một bài báo đăng trên tạp chí Physical Review . Những lá thư .
Igumenshchev cho biết: “Thí nghiệm này đã chứng minh tính khả thi của một khái niệm mục tiêu đổi mới phù hợp cho việc sản xuất hàng loạt, giá cả phải chăng cho năng lượng nhiệt hạch quán tính”.
Cách tiếp cận thông thường đối với năng lượng nhiệt hạch quán tính
Theo cách tiếp cận thông thường đối với năng lượng nhiệt hạch quán tính, một bia bao gồm một lượng nhỏ nhiên liệu hydro—dưới dạng các đồng vị hydro deuterium và tritium—được đông cứng ở dạng rắn thành một lớp vỏ hình cầu. Lớp vỏ sau đó được bắn phá bằng tia laser, làm nóng nhiên liệu trung tâm đến áp suất và nhiệt độ cực cao. Khi đạt được những điều kiện này, lớp vỏ sẽ sụp đổ và bốc cháy, trải qua quá trình hợp nhất.
Quá trình này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ có khả năng vận hành một nhà máy điện không có carbon. Nhưng một nhà máy điện nhiệt hạch , vẫn chỉ là giả thuyết, sẽ cần gần một triệu mục tiêu mỗi ngày. Các phương pháp chế tạo mục tiêu hiện nay bằng quy trình chuẩn bị đông lạnh rất tốn kém và khó sản xuất mục tiêu.
Hình thành vỏ động: Khả thi hơn, ít tốn kém hơn
Tạo vỏ động là một phương pháp thay thế để tạo ra các mục tiêu trong đó một giọt chất lỏng deuterium và tritium được bơm vào một viên nang xốp. Khi bị bắn phá bởi các xung laser , viên nang sẽ phát triển thành một lớp vỏ hình cầu, sau đó nổ tung và sụp đổ, dẫn đến bốc cháy. Sự hình thành lớp vỏ động không yêu cầu phân lớp đông lạnh tốn kém mà các phương pháp tạo ra năng lượng nhiệt hạch quán tính thông thường sử dụng vì nó sử dụng các mục tiêu chất lỏng. Những mục tiêu này cũng sẽ dễ thực hiện hơn.
Goncharov lần đầu tiên mô tả sự hình thành động của lớp vỏ trong một bài báo vào năm 2020, nhưng khái niệm này chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Trong một thí nghiệm chứng minh nguyên lý quy mô nhỏ, Igumenshchev, Goncharov và các đồng nghiệp của họ đã sử dụng tia laser OMEGA của LLE để tạo hình một quả cầu bọt nhựa có cùng mật độ như nhiên liệu lỏng deuterium-tritium vào trong một lớp vỏ, thể hiện một bước quan trọng trong khái niệm vỏ động.
Để thực sự tạo ra phản ứng tổng hợp bằng kỹ thuật hình thành lớp vỏ động, nghiên cứu trong tương lai sẽ cần các tia laser có xung dài hơn và nhiều năng lượng hơn, nhưng thí nghiệm hiện tại cho thấy rằng sự hình thành lớp vỏ động có thể khả thi như một con đường hướng tới các lò phản ứng năng lượng nhiệt hạch thực tế hơn.
Igumenshchev cho biết: “Việc kết hợp khái niệm mục tiêu này với hệ thống laser hiệu suất cao hiện đang được phát triển tại LLE sẽ mang lại một con đường rất hấp dẫn cho năng lượng nhiệt hạch”.
