في السعي وراء الطاقة النظيفة ، فإن منشأة الإشعال الوطنية (NIF) تقدم أبحاث الاندماج في سرعة غير مسبوقة.وراء هذا البرنامج الطموح يكمن إنجاز تكنولوجي غير معروف: نمو الكريستال السريع. هذا الابتكار قد خفضت أوقات الإنتاج من عامين إلى شهرين فقط.تسريع التقدم العلمي والمساهمة المباشرة في اختراقات NIF في طاقة الاندماج.
باعتبارها أقوى نظام ليزر في العالم، تهدف NIF إلى تحقيق الاندماج النووي المسيطر عليه، وهو مصدر محتمل للطاقة النظيفة والمستدامة.هذا يتطلب تركيز طاقة هائلة على هدف صغير لبدء تفاعلات الاندماجالمفتاح لهذه العملية هي المكونات البصرية الكبيرة ذات الكريستال الواحد المصنوعة من فوسفات البوتاسيوم ثنائي الهيدروجين (KDP) ونظيره المزدوج (DKDP).
هذه ليست عناصر زجاجية عادية. مع خصائص بصرية تشبه البريزمة، فإنها تنقل، تكسر، وتفصل الضوء بدقة استثنائية.يتطلب NIF حوالي 480 من هذه المكونات في جميع أنحاء نظام الليزر، وتخدم وظيفتين حيويتين: دوران الاستقطاب وتحويل التردد.
تتيح بلورات KDP خلايا Pockels Electrode Plasma (PEPC) ، وهو مفتاح بصري يتحكم في نقل شعاع الليزر أو انعكاسه بدقة.تخيل بوابة تفتح أو تغلق على الفور للضوء، هذه وظيفة PEPC.
النظام يستغل خصائص الكهرباء البصرية لـ KDP. يغير تطبيق حقل كهربائي مؤشر انكسار البلور، مما يغير استقطاب أشعة الليزر العابرة.عن طريق التحكم بدقة في هذا المجال، يمكن للمهندسين تدوير الاستقطاب بنحو 90 درجة، وهو أساس قدرة PEPC على التبديل.
في نظام المضخة الرئيسي لـ NIF ، يتحكم PEPC في عدد مرات عبور أشعة الليزر مسار التضخيم.اكتساب الطاقة مع كل دورة قبل الانتقال إلى مكبرات الطاقة.
كل PEPC يحتوي على لوحة بلورية KDP وضعت بين ألواح زجاجية السيليكا المنصهر.هذه المكونات 40x40 سم تتطلب جودة بصرية استثنائية ووحدة لمنع تشويه شعاع.
تلعب البلورات دورًا حاسمًا آخر: تحويل ضوء الليزر الأشعة تحت الحمراء الأولي لـ NIF (طول موجة 1053 نانومتر) إلى ضوء فوق البنفسجي الأكثر كفاءة.أظهرت الأبحاث أن ضوء الأشعة فوق البنفسجية يتفاعل بشكل أكثر فعالية مع أهداف الاندماج.
عندما يقترب شعاع الليزر الـ 192 من غرفة الهدف، كل واحد يحمل حوالي 20 كيلو جول من طاقة الأشعة تحت الحمراء،الخصائص البصرية غير الخطيّة تحوّل ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية من خلال عملية تسمى توليد الهارمونيّة الثالثة.
يحدث هذا التحويل في لوحات بلورية بحجم شاشات كمبيوتر صغيرة وضعت استراتيجيا على طول كل مسار شعاع.الضوء فوق البنفسجي الناتج يزيد من كفاءة تسخين وتضخيم أهداف الاندماج، مما يجعل الإشعال ممكنًا.
إن تطوير تكنولوجيا نمو الكريستال السريع يُعتبر واحداً من أكثر الإنجازات الهندسية المشهورة في مؤسسة "نيف".هذا الاختراق غيرت الجداول الزمنية للإنتاج وأصبحت حاسمة لاستكمال المشروع.
تم تطوير هذه التقنية في روسيا، وتم تحسينها في لورانس ليفرمور، وحصلت على جائزة البحث والتطوير 100 في عام 1994. فقد خفضت فترات النمو من 24 شهرًا إلى 2 أضعاف.النباتات الكريستالية الكبيرة (حتى 800 رطلاً)، مما يسمح بمزيد من المكونات البصرية لكل بلور وتقليل الاحتياجات الإجمالية للمواد.
تم زراعة حوالي 75 بلورة إنتاج بلغت مجموعها حوالي 100 طن. تم تقطيعها إلى الآلاف من العناصر البصرية الموزعة في جميع أنظمة NIF الحرجة.
تكمن الاختراق في بيئات النمو التي يتم التحكم فيها بدقة. الطرق التقليدية تبرد المحلول ببطء للسماح بتشكيل البلورات تدريجياً. عملية بسيطة ولكن بطيئة عرضة لمشاكل الجودة.
تستخدم التقنية السريعة حاويات كبيرة من محلول KDP/DKDP المشبعة مع بلورات البذور معلقة في الداخل. من خلال تنظيم درجة الحرارة والتركيز وتدفق المحلول بدقة،المهندسين تحسين معدلات النمو مع الحفاظ على الجودة.
"انه مثل زراعة النباتات في بيئة شديدة التحكم" يقول الدكتور كارتر. "يجب ان تكون كل معايير مثالية لتحقيق بلورات خالية من العيوب".
هذا التقدم يمتد إلى أبعد من NIF. إنتاج الكريستال الأسرع والأرخص يتيح ليزرًا وأجهزة استشعار بصرية وأجهزة عرض أفضل.التطبيقات الطبية تشمل تحسين أجهزة الليزر الجراحية وأنظمة التصوير، بينما الاتصالات يمكن أن ترى شبكات الألياف البصرية المحسنة.
مع تقدم NIF نحو الاندماج المتحكم فيه، لا تزال بلورات KDP و DKDP لا غنى عنها. إن إنتاجها السريع يعد مثالًا على التعاون متعدد التخصصاتالهندسة البصرية، التصنيع الدقيق المطلوب لمثل هذه المشاريع الطموحة.
هذا البطل التكنولوجي غير المشهور لم يقدم علم المواد فحسب بل أصبح محورياً في مسعى البشرية إلى طاقة نظيفة غير محدودةالطاقة الاندماجية أقرب إلى الواقع.