Energie syntezy jądrowej napędzane laserem nie spełniają oczekiwań

W poniedziałek opublikowano artykuł opisujący pewne mylące wyniki z National Ignition Facility, który wykorzystuje wiele wysokoenergetycznych laserów skupionych na małym celu, aby rozpocząć reakcję syntezy jądrowej. W ciągu ostatnich kilku lat obiekt przeszedł kilka ważnych kamieni milowych, w tym zapłon termojądrowy i stworzenie tzw. płonącej plazmy.

Teraz naukowcy przeanalizowali właściwości plazmy, gdy doświadcza ona tych wysokoenergetycznych stanów. Ku swojemu zaskoczeniu odkryli, że płonąca plazma zachowywała się inaczej niż ta, która została poddana zapłonowi. W tej chwili nie ma jasnego wyjaśnienia różnicy.

Zapłon kontra spalanie

W przedstawionych tu eksperymentach materiałem użytym do syntezy jądrowej jest mieszanina trytu i deuteru, dwóch izotopów cięższych od wodoru. Łączą się one w celu wytworzenia atomu helu, pozostawiając do wyemitowania zapasowy neutron; Energia reakcji syntezy jądrowej jest uwalniana w postaci promieni gamma.

Proces fuzji jest wyzwalany przez krótki, niezwykle intensywny impuls światła laserowego skierowany na mały metalowy cylinder. Metal emituje intensywne promieniowanie rentgenowskie, które odparowuje powierzchnię pobliskich ziaren, tworząc intensywną falę ciepła i ciśnienia wewnątrz ziaren, gdzie znajdują się deuter i tryt. Tworzą one wysokoenergetyczne plazmy, które stwarzają warunki do fuzji.

Jeśli wszystko pójdzie dobrze, przekazywana energia zapala plazmę, co oznacza, że ​​nie jest potrzebna żadna dodatkowa energia do podtrzymania reakcji syntezy jądrowej przez ułamek sekundy, który upływa, zanim wszystko eksploduje. Przy wyższych energiach plazma osiąga stan zwany spalaniem, w którym powstające atomy helu niosą tyle energii, że mogą zapalić sąsiednią plazmę. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ oznacza, że ​​resztę energii (w postaci neutronów i promieni gamma) można zebrać w celu wytworzenia użytecznej energii.

Chociaż dysponujemy szczegółowymi modelami fizyki zachodzącymi w tych ekstremalnych warunkach, musimy porównać te modele z tym, co dzieje się w plazmie. Niestety, ponieważ zarówno plazma, jak i otaczająca ją wcześniej materia są w trakcie eksplodowania, stanowi to nie lada wyzwanie. Aby uzyskać obraz tego, co może się dziać, naukowcy zwrócili się do jednego z produktów samej reakcji syntezy jądrowej: emitowanych przez nią neutronów, które mogą przechodzić przez szczątki i być wychwytywane przez pobliskie detektory.

pomiar temperatury

Fizyka reakcji syntezy jądrowej wytwarza neutrony o określonej energii. Gdyby fuzja nastąpiła w materiale, w którym atomy byłyby unieruchomione, wszystkie neutrony wyleciałyby z tą energią. Ale jasne jest, że jądra atomowe w plazmie – tryt i deuter – poruszają się gwałtownie. W zależności od tego, jak poruszają się względem detektora, jony te mogą przekazywać neutronom dodatkową energię lub trochę ją odejmować.

Oznacza to, że zamiast pojawiać się jako ostra linia przy określonej energii, neutrony wychodzą w zakresie energii, które tworzą szeroką krzywą. Szczyt tej krzywej jest związany z ruchem jonów w plazmie, a więc z temperaturą plazmy. Więcej szczegółów można wydobyć z kształtu krzywej.

Pomiędzy punktem zapłonu a punktem spalania wydaje się, że dokładnie rozumiemy, w jaki sposób temperatura plazmy odnosi się do prędkości atomów w plazmie. Dane z neutronów dobrze pasują do krzywej obliczonej na podstawie naszych przewidywań modelowych. Jednak po przełączeniu plazmy na spalanie rzeczy nie są już identyczne. To tak, jakby dane neutronowe znalazły zupełnie inną krzywą i podążały za nią.

Co zatem może wyjaśniać tę inną krzywą? To nie jest tak, że nie mamy pojęcia. Mamy ich kilka i nie sposób ich rozróżnić. Zespół analizujący te wyniki zasugerował cztery możliwe wyjaśnienia, w tym nieoczekiwaną kinetykę poszczególnych cząstek w plazmie lub brak uwzględnienia szczegółów w zachowaniu plazmy masowej. Alternatywnie, płonąca plazma może rozciągać się na inny obszar lub trwać przez inny czas, niż byśmy tego oczekiwali.

W każdym razie, jak twierdzą autorzy, „Zrozumienie przyczyny tego odejścia od zachowania hydrodynamicznego może być ważne dla uzyskania solidnego i powtarzalnego zapłonu”.

fizyka przyrody2022. DOI: 10.1038 / s41567-022-01809-3 (Informacje o DOI).