2023 Thiên nhiên Mười người xuất hiện: Các nhà khoa học nữ đánh lửa bằng phản ứng tổng hợp bằng laser trong danh sách!

Hôm nay, tạp chí khoa học hàng đầu quốc tế “Nature” (Nature) đã công bố danh sách thường niên năm 2023 gồm 10 nhân vật khoa học hàng đầu (Nature's 10) - danh sách này được thiết kế để chọn ra 10 trong năm nay tất cả các sự kiện khoa học lớn đều có một vị trí trong các nhân vật, thẩm quyền của nó và những nhiệm vụ này đã dẫn đến một loạt những khám phá và tiến bộ đáng kinh ngạc.
Ngoài tin tức gây chú ý rằng ChatGPT đã được chọn là một trong 10 Nhân vật hàng đầu của năm do Nature bình chọn, điều đáng chú ý là một nữ nhà khoa học có mối liên hệ chặt chẽ với ngành công nghiệp laser cũng lọt vào danh sách này. Cô ấy là - sự "đánh lửa" bằng phản ứng tổng hợp tia laser - Annie Kritcher (Annie Kritcher).
Annie Kritcher, nhà vật lý và nhà thiết kế chính của Cơ sở Đánh lửa Quốc gia Hoa Kỳ, nói rằng phản ứng nhiệt hạch không phải là câu hỏi “nếu”, mà là “khi nào”. Cô hy vọng tia laser sẽ đóng một vai trò nào đó: "Tôi rất muốn được tham gia."
Lý do chính được đưa ra cho Annie Kritcher trong danh sách 10 của Nature là nhà vật lý này đã giúp NIF tạo ra các phản ứng hạt nhân từng chỉ thấy ở bom hydro và các ngôi sao. "Nhà vật lý này đã giúp nhận ra sự thu được năng lượng đầu tiên."
Dưới đây là thông tin thêm về cô ấy từ danh sách của Nature:
Nhà vật lý Annie Kritcher bước vào năm 2023 với niềm lạc quan dâng trào.
Vài tuần trước, cô đã giúp Cơ sở đánh lửa quốc gia (NIF) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đạt được mục tiêu mà các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã không đạt được trong nhiều thập kỷ: ép các nguyên tử lại với nhau thật chặt để chúng trải qua phản ứng tổng hợp hạt nhân, tạo ra nhiều năng lượng hơn phản ứng tiêu tốn.
Tuy nhiên, sau khi đạt được cột mốc thử nghiệm này, được gọi là "sự đánh lửa", áp lực phải làm lại điều đó lại càng tăng lên.
Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (NIF) trị giá 3,5 tỷ USD tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California ban đầu được thiết kế để tăng cường khoa học vũ khí hạt nhân. Tiến bộ của nó cũng có thể giúp phát triển phản ứng tổng hợp hạt nhân thành nguồn năng lượng an toàn, sạch và gần như vô hạn, và các thí nghiệm thành công của NIF năm ngoái đã khiến nhiều người ngạc nhiên. Thí nghiệm "đánh lửa" đã chậm tiến độ một thập kỷ và một số người bắt đầu lo lắng rằng mục tiêu đơn giản là ngoài tầm với. Với tư cách là người thiết kế chính của thí nghiệm nhiệt hạch chính, Kritcher và nhóm của cô ngay lập tức bắt đầu chứng minh rằng NIF có thể đạt được sự đánh lửa một cách đáng tin cậy.
Nghiên cứu mang tính rủi ro cao thường khó thực hiện nếu không có những thăng trầm: nhóm đã thực hiện nỗ lực lặp lại lần đầu tiên vào tháng 6 nhưng với kết quả kém. "Nó có thể trở nên điên rồ và tôi bị căng thẳng." Kritcher nói.
Chà, trong nỗ lực tiếp theo, họ đã thành công. Vào ngày 30 tháng 7, 192-chùm tia laser của cơ sở đã truyền 2,05 megajoule năng lượng đến các hạt đông lạnh của đồng vị hydro deuterium và tritium lơ lửng trong một ống trụ bằng vàng. Vụ nổ xảy ra khiến các đồng vị giải phóng năng lượng khi chúng hợp nhất thành heli, tạo ra nhiệt độ nóng gấp sáu lần so với lõi mặt trời. Những phản ứng này tạo ra năng lượng nhiệt hạch kỷ lục 3,88 megajoule.
Cần có các cơ sở khác để sản xuất đủ năng lượng nhiệt hạch trong thời gian dài hơn, đáng chú ý nhất là các lò phản ứng tokamak, sử dụng từ trường mạnh để hạn chế các phản ứng nhiệt hạch. Công nghệ này được phát triển bởi dự án ITER trị giá 22 tỷ USD, một sự hợp tác quốc tế. Tuy nhiên, cho đến khi đạt được thành tựu của NIF, chưa có phòng thí nghiệm nào từng tạo ra phản ứng nhiệt hạch với công suất vượt quá mức tiêu thụ (tức là "lợi ích ròng").
Kritcher và nhóm của cô tiếp nối thành công của họ vào tháng 7 với hai lần thử đánh lửa nữa vào tháng 10, bốn trong số sáu lần thử đã thành công. Họ đang chuẩn bị cho công suất "lợi nhuận ròng" cao hơn vào năm tới. Trong quá trình này, các nhà khoa học của NIF đã mở ra cánh cửa nghiên cứu và giúp khơi dậy làn sóng lạc quan về tương lai của năng lượng nhiệt hạch.
NIF được thiết kế để giúp các nhà khoa học của chính phủ đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của kho vũ khí hạt nhân của Hoa Kỳ mà không cần đến các vụ nổ thử nghiệm, nhưng đó không phải là điều ban đầu đã thu hút Kritcher đến với phòng thí nghiệm. cô bắt đầu nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch trong thời gian thực tập mùa hè tại Livermore vào năm 2004 và nhanh chóng đặt mục tiêu vào NIF là một trong số ít nơi trên trái đất nơi các phản ứng nhiệt hạch đang được nghiên cứu, trước khi cô bắt đầu nghiên cứu sau đại học. một trong số ít nơi trên hành tinh nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch.
Cô gia nhập NIF vào năm 2012 và trở thành nhà thiết kế chính vào năm 2016. Kể từ đó, cô đã lãnh đạo một nhóm phân tích dữ liệu thực nghiệm và sử dụng mô hình máy tính để thiết kế các thí nghiệm nhằm đạt được và tăng hiệu suất nhiệt hạch bằng cách điều chỉnh các thông số như kích thước và cấu hình của mục tiêu. và năng lượng cũng như thời gian của các chùm tia laser khác nhau. Sau khi nhóm của cô hoàn thành thiết kế, nhóm thử nghiệm của phòng thí nghiệm sẽ đảm nhận việc bắn tia laze và thu thập dữ liệu.
Roger Falcone, một nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, nói: “Anne là một sinh viên xuất sắc và cống hiến hết mình cho công việc của mình”. Anh ấy bắt đầu làm việc với Kritcher khi cô ấy còn là nghiên cứu sinh và tiếp tục công việc ban đầu của cô ấy tại NIF. Ông cho biết, trong thời gian đó, cô đã thể hiện năng lực của mình trong việc thiết kế các thí nghiệm laser được thiết kế để kiểm tra xem vật liệu hoạt động như thế nào khi bị nén đến nhiệt độ và áp suất cực cao.
Những kỹ năng đó đã đưa Kritcher trở thành trung tâm của chương trình nhiệt hạch vào năm 2016. Vào thời điểm đó, sản lượng năng lượng từ các thí nghiệm nhiệt hạch đã bị đình trệ và Nhà khoa học trưởng của NIF, Omar Hurricane, muốn mở ra một con đường mới. Và Kritcher đã đưa ra những ý tưởng mà Hurricane nói, "Cô ấy đã đồng ý." Từ đó, cô trở thành một trong những nhà thiết kế chính cho NIF.
Kritcher và nhóm của cô đã dành vài năm tiếp theo để phân tích dữ liệu và thực hiện các điều chỉnh thiết kế dựa trên kết quả của các thí nghiệm lớn của NIF. Ngoài việc thực hiện nhiều thay đổi khác nhau đối với mục tiêu, họ còn có thể tận dụng những cải tiến này để tăng tổng năng lượng laser sẵn có. Kết quả là họ đã đạt được sự hợp nhất thành công với mức độ đều đặn ngày càng tăng.
Với mục tiêu đánh lửa chính thức đã có, Kritcher bắt đầu thực hiện một loạt thí nghiệm mới nhằm mục đích tăng hiệu suất trở lại bằng cách cung cấp nhiều năng lượng laser hơn vào viên nang mục tiêu dày hơn. Điều này có thể thể hiện một bước tiến nữa trong mục tiêu của NIF là đạt được sản lượng ở mức hàng chục terajoule và hơn thế nữa.
Về lâu dài, cô tin rằng với một số nâng cấp, cơ sở này sẽ có thể đạt được mục tiêu và tăng sản lượng lên gấp bội, điều này sẽ cho phép các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu nguyên mẫu lò phản ứng năng lượng nhiệt hạch laser. Cô nói, vấn đề không phải là năng lượng nhiệt hạch “nếu” xuất hiện mà là “khi nào” và cô hy vọng tia laser sẽ hoạt động.
“Tôi nghĩ đó là một khả năng tuyệt vời,” cô nói, “và tôi rất muốn được tham gia.”