Energiile de fuziune conduse de laser nu se potrivesc așteptărilor

Luni, a fost publicată o lucrare care descrie unele rezultate confuze de la National Ignition Facility, care folosește o mulțime de lasere foarte energice concentrate pe o țintă mică pentru a începe o reacție de fuziune. În ultimii câțiva ani, instalația a trecut prin câteva etape majore, inclusiv aprinderea prin fuziune și crearea așa-numitei plasme de ardere.

Acum, cercetătorii au analizat proprietățile plasmei pe măsură ce experimentează aceste stări de înaltă energie. Spre surprinderea lor, au descoperit că plasma care ardea părea să se comporte diferit de cea care fusese supusă aprinderii. Momentan, nu există o explicație clară pentru diferență.

Aprindere versus ardere

În experimentele prezentate aici, materialul folosit pentru fuziune este un amestec de tritiu și deuteriu, doi izotopi mai grei decât hidrogenul. Acestea se combină pentru a produce un atom de heliu, lăsând să fie emis un neutron de rezervă; Energia reacției de fuziune este eliberată sub formă de raze gamma.

Procesul de fuziune este declanșat de o explozie scurtă, extrem de intensă de lumină laser îndreptată către un mic cilindru metalic. Metalul emite raze X intense, care vaporizează suprafața boabelor din apropiere, creând un val intens de căldură și presiune în interiorul boabelor, unde se află deuteriul și tritiul. Acestea formează plasme de înaltă energie, care creează condițiile pentru fuziune.

Dacă totul merge bine, energia transmisă aprinde plasma, ceea ce înseamnă că nu este nevoie de energie suplimentară pentru a menține reacțiile de fuziune pentru o fracțiune de secundă care trece înainte ca totul să explodeze. La energii mai mari, plasma ajunge într-o stare numită ardere, în care atomii de heliu care se formează transportă atât de multă energie încât pot aprinde plasma adiacentă. Acest lucru este critic, deoarece înseamnă că restul energiei (sub formă de neutroni și raze gamma) poate fi recoltată pentru a produce energie utilă.

Deși avem modele detaliate ale fizicii care au loc în aceste condiții extreme, trebuie să comparăm acele modele cu ceea ce se întâmplă în interiorul plasmei. Din păcate, deoarece atât plasma, cât și materialul care o înconjura anterior sunt în proces de explozie, aceasta reprezintă o provocare destul de mare. Pentru a obține o imagine a ceea ce s-ar putea întâmpla, cercetătorii au apelat la unul dintre produsele reacției de fuziune în sine: neutronii pe care îi emite, care pot trece prin resturi și pot fi captați de detectoarele din apropiere.

măsurarea temperaturii

Fizica reacțiilor de fuziune produce neutroni cu o anumită energie. Dacă ar avea loc fuziunea într-un material în care atomii au fost fixați, toți neutronii ar ieși cu acea energie. Dar este clar că nucleii atomici din plasmă – tritiu și deuteriu – se mișcă violent. În funcție de modul în care se mișcă față de detector, acești ioni pot transfera ceva energie suplimentară neutronilor sau pot scădea puțin.

Aceasta înseamnă că, în loc să apară ca o linie ascuțită la o anumită energie, neutronii ies într-o gamă de energii care formează o curbă largă. Vârful acestei curbe este legat de mișcarea ionilor din plasmă și, prin urmare, de temperatura plasmei. Mai multe detalii pot fi extrase din forma curbei.

Între punctul de aprindere și punctul de ardere, se pare că avem o înțelegere precisă a modului în care temperatura plasmei se raportează la viteza atomilor din plasmă. Datele de la neutroni se aliniază bine cu curba calculată din predicțiile modelului nostru. Cu toate acestea, odată ce plasma trece la ardere, lucrurile nu mai sunt identice. Este ca și cum datele despre neutroni găsesc o curbă complet diferită și o urmează în schimb.

Deci, ce ar putea explica această curbă diferită? Nu este că habar n-avem. Avem o grămadă de ei și nu există nicio modalitate de a le deosebi. Echipa care a analizat aceste rezultate a sugerat patru explicații posibile, inclusiv cinetica neașteptată a particulelor individuale din plasmă sau eșecul de a lua în considerare detaliile în comportamentul plasmelor de masă. Alternativ, plasma care arde s-ar putea extinde pe o zonă diferită sau poate dura o perioadă de timp diferită decât ne-am aștepta.

În orice caz, spun autorii, „Înțelegerea motivului acestei abateri de la comportamentul hidrodinamic poate fi importantă pentru a obține o aprindere robustă și repetabilă”.

fizica naturii2022. DOI: 10.1038 / s41567-022-01809-3 (Despre DOI).