Od 10 000 dżuli do 8,6 miliona: jak eksperymenty fuzyjne w Lawrence Livermore przeskoczyły z kilodżuli do megadżuli – i dlaczego to ma znaczenie

• Wczesne lata 2010: W latach 2013–2014 uzyski fusion w NIF wynosiły dziesiątki kilodżuli (≈14 kJ we wrześniu 2013; ≈27 kJ w lutym 2014), znacznie poniżej dzisiejszych poziomów megadżulowych. Lasery w LLNL
• Przekroczenie granicy megadżula: 8 sierpnia 2021 r. NIF uzyskał >1,3 MJ, około 100× więcej niż w 2013 roku—stawiając badaczy „na progu zapłonu”. llnl.gov
• Pierwszy laboratoryjny zapłon: 5 grudnia 2022 r. LLNL osiągnęło zapłon fuzji: 2,05 MJ energii laserowej włożonej, 3,15 MJ uzyskanej (wzrost energii > 1). Wynik ten został zrecenzowany w PRL. llnl.gov
• Stały postęp w 2023: LLNL przekroczyło wynik z 2022 roku uzyskując 3,88 MJ (30 lipca), osiągnęło 2,4 MJ (8 października) oraz 3,4 MJ z rekordowego 2,2 MJ lasera (30 października). Lasery w LLNL
• Przekroczenie 5 MJ: W lutym 2024 r. NIF uzyskał szacunkowo 5,2 MJ—ponad dwukrotnie więcej niż energia dostarczona do celu (2,2 MJ). Raport roczny
• Nowe rekordy w 2025: 7 kwietnia 2025 r. NIF osiągnął 8,6 MJ przy 2,08 MJ na celu (wzrost energii ≈ 4,13), najwyższy dotąd uzysk i wzrost. Lasery w LLNL
• Kontekst: NIF nie jest elektrownią. Każdy strzał zużywa około 330 MJ energii elektrycznej do zasilania lamp błyskowych napędzających lasery—więc „wzrost energii na poziomie obiektu” pozostaje < 1. Lasery w LLNL
• Co dalej: Proponowana Enhanced Yield Capability (EYC) podniosłaby energię lasera z 2,2 MJ do 2,6 MJ; symulacje szacują uzyski powyżej 30 MJ z potencjalnym ukończeniem około 2032 r., w zależności od finansowania. Lasery w LLNL

Historia: od kilodżuli do megadżuli

Zaledwie dekadę temu National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) uzyskiwało dziesiątki kilodżuli energii z fuzji z maleńkich kapsułek paliwowych—≈14 kJ pod koniec 2013 roku i ≈27 kJ na początku 2014 roku. Te eksperymenty były kluczowe: potwierdziły rolę samonagrzewania przez cząstki alfa, co jest warunkiem zapłonu, i oznaczały pierwsze wyjście poza erę kilodżuli. Lasery w LLNL

Teoria sugerowała, że osiągnięcie „plazmy spalającej się”—gdzie cząstki alfa powstałe w wyniku fuzji dostarczają większość ciepła—wymagałoby około ~50 kJ uzysku z fuzji w implozjach podobnych do NIF. Do 2021 roku naukowcy nie tylko przekroczyli ten próg, ale znacznie go przewyższyli. 8 sierpnia 2021 r. NIF uzyskał >1,3 MJ, ~100× więcej niż w 2013 roku i był to decydujący krok w kierunku zapłonu. Physical Review Links

Oczekiwany przez wszystkich kamień milowy nastąpił 5 grudnia 2022 r.: zapłon fuzji w laboratorium. Przy 2,05 MJ światła laserowego UV dostarczonego do celu i 3,15 MJ energii z fuzji, LLNL po raz pierwszy przekroczyło próg opłacalności celu. Departament Energii ogłosił ten wynik publicznie, a szczegóły fizyczne zostały od tego czasu zrecenzowane w Physical Review Letters. llnl.gov

2023–2025: od pojedynczych przypadków do powtarzalności, a potem rekordów

Po 2022 roku pytanie nie brzmiało już „czy”, ale „jak często i ile”. W 2023 roku LLNL zarówno powtórzyło zapłon, jak i zwiększyło uzyski: 3,88 MJ (30 lipca), 2,4 MJ (8 października) i 3,4 MJ przy rekordowym strzale lasera 2,2 MJ (30 października). Te eksperymenty zaczęły pokazywać, że zapłon można osiągać powtarzalnie przy starannej kontroli symetrii, mieszania i napędu. Lasery w LLNL

W lutym 2024 roku LLNL zgłosiło szacowany uzysk 5,2 MJ—ponad dwukrotnie więcej niż 2,2 MJ energii wejściowej lasera—poprawiając wydajność i możliwości diagnostyczne oraz potwierdzając nowe udoskonalenia celu i hohlraumu. Annual Report

Następnie nastąpił skok 7 kwietnia 2025 r.: 8,6 MJ energii z fuzji z 2,08 MJ na celu (wzrost celu ≈ 4,13), w towarzystwie 456 terawatów szczytowej mocy impulsu. Do połowy 2025 roku LLNL udokumentowało wiele strzałów z zapłonem (w tym kampanię prowadzoną przez Los Alamos w czerwcu), co ugruntowało początek ery multi-megadżulowej w NIF. Lasery w LLNL

Co się zmieniło „pod maską”?

Trzy motywy leżą u podstaw wzrostu od kilodżuli do wielu megadżuli:

1. Ogrzewanie alfa i plazmy spalające. Wraz ze wzrostem uzysków powyżej dziesiątek kilodżuli, samonagrzewanie przez powstałe w fuzji cząstki alfa napędzało niekontrolowaną reakcję zwrotną—fazę „spalającej się plazmy”—wzmacniając wydajność i torując drogę do zapłonu. Physical Review Links
2. Lepsze cele, lepsza symetria, lepsze modelowanie. Postęp zależał od gładszych kapsuł diamentowych (HDC), ulepszonych projektów hohlraum oraz wysokiej wierności symulacji 3D i diagnostyki, które kontrolowały asymetrie i niestabilności hydrodynamiczne przy każdym strzale. Lasery w LLNL
3. Więcej energii laserowej (i mądrzejsze sprzężenie). Zwiększenie dostarczanej energii laserowej z ~2,0 MJ do 2,2 MJ przy jednoczesnym udoskonaleniu sposobu przekazywania tej energii do kapsuły pomogło podnieść uzyski z 3,15 MJ (2022) do 5,2 MJ (2024) i 8,6 MJ (2025). llnl.gov

Recenzowane analizy strzału zapłonowego z 2022 roku ujawniają charakterystyczną fizykę—ponowne nagrzewanie hohlraum i wyraźny wzrost celu > 1—zgodne z solidnymi warunkami zapłonu i samonagrzewającym się spalaniem. Physical Review Links

Drobny druk: „wzrost celu” vs. „wzrost obiektu”

Gdy nagłówki mówią „więcej energii na wyjściu niż na wejściu”, odnoszą się do energii na celu (energii laserowej dostarczonej do kapsuły/hohlraum). W 2022 roku 3,15 MJ NIF przekroczyło 2,05 MJ dostarczone—wzrost celu ~1,5—a strzał z kwietnia 2025 osiągnął ~4,13. Jednak lasery NIF z lampami błyskowymi wymagają ~330 MJ energii elektrycznej do naładowania systemu laserowego przed każdym strzałem. Dlatego na poziomie obiektu eksperymenty te nie oznaczają jeszcze dodatniego bilansu energetycznego. NIF to obiekt eksperymentalny zoptymalizowany pod kątem fizyki, a nie produkcji energii. Physical Review Links

Dlaczego to wciąż jest przełom

Zapłon po raz pierwszy ma znaczenie z dwóch powodów:

• Bezpieczeństwo narodowe: Główną misją NIF jest Program Nadzoru nad Zapasami Broni—dostarczanie danych o ekstremalnych stanach materii, które są niedostępne od czasu zakończenia podziemnych testów jądrowych. Strzały klasy zapłonowej znacznie poszerzają ten zakres naukowy. llnl.gov
• Nauka o energii z fuzji: Zapłon potwierdza podstawy fizyczne (samoogrzewanie alfa, plazma spalająca, kontrola symetrii), które przyszłe, specjalnie zaprojektowane systemy inercyjnej energii z fuzji (IFE) mogą wykorzystać—najlepiej z laserami o wysokiej wydajności, pompowanymi diodowo oraz pracą z wysoką częstotliwością powtórzeń, odpowiednią do produkcji energii. llnl.gov

Co dalej: przełożenie przełomowej fizyki na użyteczne platformy

LLNL przygotowuje się teraz do skalowania wydajności i użyteczności:

• Enhanced Yield Capability (EYC): Proponowana modernizacja podniosłaby energię lasera NIF z 2,2 MJ do 2,6 MJ poprzez niewielkie zmiany w wzmacniaczach i optyce. Symulacje projektów eksperymentalnych wskazują, że uzyski rzędu 30+ MJ są możliwe; przy odpowiednim finansowaniu zakończenie może nastąpić około 2032 roku. Lasery w LLNL
• Skupienie operacyjne: Plan LLNL kładzie nacisk na zastosowania multi-MJ, lepszą statystykę (bardziej powtarzalne strzały o wysokiej wydajności) oraz rozwój platform wspierających zarówno nadzór, jak i naukę istotną dla energii przez całe lata 2020. Lasery w LLNL

Sedno sprawy

W nieco ponad dekadę LLNL przesunęło fuzję inercyjną z uzysków rzędu ~10–30 kJ do poziomu wielomegadżulowego—zakończonego (jak dotąd) na 8,6 MJ i współczynniku zysku powyżej 4. To ogromny skok w wydajności fuzji—taki, który jeszcze nie zapewnia energii dla sieci, ale potwierdza, że fizyka może być napędzana, powtarzana i wzmacniana. Następny rozdział to inżynieria: lasery o wyższej wydajności, większa liczba strzałów i solidne platformy celów. Na tej podstawie dzisiejsza „era megadżuli” może stać się jutrzejszą praktyczną technologią fuzji. Lasery w LLNL

Źródła i dalsza lektura

• Strony LLNL dotyczące „Zapłonu” i kamieni milowych (tło, misja, oś czasu). llnl.gov
• Komunikat prasowy DOE o zapłonie z grudnia 2022 r. The Department of Energy’s
• Artykuły specjalne PRL dotyczące strzału zapłonowego z 2022 roku. Linki do Physical Review
• Raport roczny LLNL FY‑2024 (5,2 MJ). Raport roczny
• LLNL „Osiągnięcie zapłonu fuzyjnego” (8,6 MJ kwiecień 2025; dziennik strzałów zapłonowych). Lasery w LLNL
• System kondycjonowania mocy LLNL (≈330 MJ energii elektrycznej na strzał). Lasery w LLNL
• Briefing o statusie NIF (EYC: 2,6 MJ lasery; 30+ MJ symulowane uzyski; ~2032 rok, jeśli finansowane). Lasery w LLNL

Uwaga: „Wzmocnienie celu” (> 1 w 2022; ~4,13 w kwietniu 2025) porównuje energię fuzyjną wytworzoną do energii lasera dostarczonej do celu, a nie do całkowitej energii pobranej przez całą instalację.