پروژه مشترک آمریکا و آلمان برای طراحی لیزرهای همجوشی هسته‌ای با عملکرد پیوسته

معرفی پروژه ICONIC-FL و اهداف کلیدی

این پروژه مشترک که با نام ICONIC-FL (همکاری بین‌المللی برای لیزرهای نسل بعد همجوشی با کنترل لیزری) شناخته می‌شود، می‌کوشد تا بزرگترین چالش همجوشی را حل کند: تبدیل شلیک‌های آزمایشی یک‌باره به عملکردی مستمر و قابل اعتماد در نیروگاه‌های برق.

پژوهشگران از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) در کالیفرنیا و مؤسسه فرونهافر فناوری لیزر (Fraunhofer ILT) در آلمان با ترکیب مدل‌های شبیه‌سازی لیزری خود تلاش می‌کنند تا لیزرهای پرانرژی بسازند که بتوانند همجوشی را شعله‌ور کرده و به طور ۲۴ ساعته و هفت روز هفته در نیروگاه‌ها فعالیت کنند.

چالش عملکرد پیوسته: نیاز به ۱۵ شلیک در ثانیه

مهندسان این پروژه شرایط فیزیک پلاسما لازم برای ایجاد واکنش را بررسی کرده‌اند. این شرایط شامل:

• گرم کردن سوخت دوتریم تریتیوم (D-T) به بیش از ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد.
• فشرده‌سازی سوخت در تأسیسات NIF.

این فرآیند منجر به ایجاد واکنش همجوشی خودپایدار می‌شود که انرژی بیشتری نسبت به انرژی لیزر به سوخت آزاد می‌کند. با این حال، در حالی که یک شلیک آزمایشی موفقیت‌آمیز بوده، یک نیروگاه واقعی برای تولید مداوم برق به حدود ۱۵ شلیک در ثانیه نیاز دارد.

توسعه لیزرهای حالت جامد پمپ‌شده با دیود (DPSSLs)

برای دستیابی به این نرخ تکرار بالا، به لیزرهای حالت جامد پمپ‌شده با دیود (DPSSLs) با کارایی بسیار بالا نیاز است که توانایی شلیک چندین بار در ثانیه را داشته باشند. تیم پژوهشی برای کاهش هزینه‌های هنگفت ساخت سخت‌افزار، ابتدا از شبیه‌سازی‌های پیشرفته کامپیوتری استفاده کرده و مراحل تقویت انرژی لیزر را به‌طور دقیق مدل‌سازی کرده است.

موانع مهندسی در تقویت‌کننده‌های لیزر

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های فنی، تقویت‌کننده‌های لیزر هستند که پالس اولیه کوچک را به سطح انرژی عظیم لازم برای همجوشی می‌رسانند. استفاده مداوم از این تقویت‌کننده‌ها باعث می‌شود صفحات شیشه یا کریستال آن‌ها تحت فشار و گرمای شدید قرار گیرند و در نتیجه کارایی کاهش یافته یا قطعات آسیب ببینند.

صفحات لیزری که می‌توانند تا حدود ۴۰×۴۰ سانتی‌متر باشند، باید با مایعات شفاف خنک شوند تا بتوانند بار حرارتی ناشی از شلیک‌های پرشمار را تحمل کنند.

رویکرد ICONIC-FL: اعتبار سنجی مدل‌ها و تسریع توسعه

در پروژه ICONIC-FL، دو تیم شبیه‌سازی‌های خود را ترکیب کرده و مدل‌های دقیق‌تر و واقع‌گرایانه‌تری ایجاد خواهند کرد. نکته قابل توجه این است که نتایج حاصل از مدل‌های مختلف روی همان طراحی‌های لیزری بررسی و اعتبارسنجی می‌شود، بدون آنکه کدهای اصلی بین طرفین به اشتراک گذاشته شود.

یوهانس ویتنبرگ، مدیر پروژه فرونهافر ILT، تأکید کرد: «هدف این همکاری ادغام مدل‌ها نیست، بلکه یادگیری از یکدیگر و دو بار بررسی نتایج است.»

این رویکرد می‌تواند توسعه لیزرهای مورد نیاز برای نیروگاه‌های واقعی را به‌طور قابل توجهی تسریع کرده و از هزینه‌های هنگفت ناشی از اشتباهات مهندسی جلوگیری کند.

اهمیت همکاری در مقیاس صنعتی

تمی ما، رئیس تحقیقات همجوشی LLNL، بیان داشت: «انتقال از پژوهش پایه به توسعه نیروگاه نیازمند توسعه سریع و مقاوم سیستم‌های لیزری جدید است. تخصص فرونهافر ILT در مقیاس صنعتی لیزرهای پمپ‌شده با دیود برای سرعت بخشیدن به برنامه IFE ما حیاتی است.»

کنستانتین هفنر، معاون اجرایی پژوهش و انتقال فناوری در فرونهافر، این دهه را برای انرژی همجوشی حیاتی دانست و افزود: «برای رسیدن به پتانسیل کامل همجوشی با کنترل لیزری باید لیزرهایی با دقت بی‌چون و چرا طراحی کنیم.»