Οι ενέργειες σύντηξης που οδηγούνται από λέιζερ δεν ανταποκρίνονται στις προσδοκίες

Τη Δευτέρα, κυκλοφόρησε ένα έγγραφο που περιγράφει ορισμένα συγκεχυμένα αποτελέσματα από το National Ignition Facility, το οποίο χρησιμοποιεί πολλά λέιζερ υψηλής ενέργειας εστιασμένα σε έναν μικρό στόχο για να ξεκινήσει μια αντίδραση σύντηξης. Τα τελευταία χρόνια, η εγκατάσταση έχει περάσει από μερικά σημαντικά ορόσημα, συμπεριλαμβανομένης της ανάφλεξης με σύντηξη και της δημιουργίας του λεγόμενου πλάσματος καύσης.

Τώρα, οι ερευνητές ανέλυσαν τις ιδιότητες του πλάσματος καθώς βιώνει αυτές τις καταστάσεις υψηλής ενέργειας. Προς έκπληξή τους, διαπίστωσαν ότι το καιόμενο πλάσμα φαινόταν να συμπεριφέρεται διαφορετικά από αυτό που είχε υποβληθεί σε ανάφλεξη. Προς το παρόν, δεν υπάρχει σαφής εξήγηση για τη διαφορά.

Ανάφλεξη έναντι καύσης

Στα πειράματα που παρουσιάζονται εδώ, το υλικό που χρησιμοποιείται για τη σύντηξη είναι ένα μείγμα τριτίου και δευτερίου, δύο ισότοπα βαρύτερα από το υδρογόνο. Αυτά συνδυάζονται για να παράγουν ένα άτομο ηλίου, αφήνοντας ένα εφεδρικό νετρόνιο να εκπέμπεται. Η ενέργεια της αντίδρασης σύντηξης απελευθερώνεται με τη μορφή ακτίνων γάμμα.

Η διαδικασία σύντηξης πυροδοτείται από μια σύντομη, εξαιρετικά έντονη έκρηξη φωτός λέιζερ που στοχεύει σε έναν μικρό μεταλλικό κύλινδρο. Το μέταλλο εκπέμπει έντονες ακτίνες Χ, οι οποίες εξατμίζουν την επιφάνεια των κοντινών κόκκων, δημιουργώντας ένα έντονο κύμα θερμότητας και πίεσης στο εσωτερικό των κόκκων, όπου βρίσκονται το δευτέριο και το τρίτιο. Αυτά σχηματίζουν πλάσματα υψηλής ενέργειας, τα οποία δημιουργούν τις συνθήκες για σύντηξη.

Εάν όλα πάνε καλά, η μεταδιδόμενη ενέργεια αναφλέγει το πλάσμα, πράγμα που σημαίνει ότι δεν απαιτείται πρόσθετη ενέργεια για να συνεχιστούν οι αντιδράσεις σύντηξης για κλάσμα του δευτερολέπτου που περνά πριν εκραγούν όλα. Σε υψηλότερες ενέργειες, το πλάσμα φτάνει σε μια κατάσταση που ονομάζεται καύση, όπου τα άτομα ηλίου που σχηματίζονται μεταφέρουν τόση πολλή ενέργεια που μπορούν να αναφλέξουν το παρακείμενο πλάσμα. Αυτό είναι κρίσιμο, καθώς σημαίνει ότι η υπόλοιπη ενέργεια (με τη μορφή νετρονίων και ακτίνων γάμμα) μπορεί να συλλεχθεί για την παραγωγή χρήσιμης ενέργειας.

Ενώ έχουμε λεπτομερή μοντέλα της φυσικής που λαμβάνουν χώρα κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες, πρέπει να συγκρίνουμε αυτά τα μοντέλα με αυτό που συμβαίνει μέσα στο πλάσμα. Δυστυχώς, δεδομένου ότι τόσο το πλάσμα όσο και το υλικό που το περιέβαλλε προηγουμένως βρίσκονται σε διαδικασία έκρηξης, αυτό αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση. Για να πάρουν μια εικόνα του τι μπορεί να συμβαίνει, οι ερευνητές στράφηκαν σε ένα από τα προϊόντα της ίδιας της αντίδρασης σύντηξης: τα νετρόνια που εκπέμπει, τα οποία μπορούν να περάσουν μέσα από τα συντρίμμια και να συλληφθούν από κοντινούς ανιχνευτές.

μέτρηση θερμοκρασίας

Η φυσική της αντίδρασης σύντηξης παράγει νετρόνια ορισμένης ενέργειας. Εάν η σύντηξη συνέβαινε σε ένα υλικό όπου τα άτομα ήταν σταθερά, όλα τα νετρόνια θα έβγαιναν με αυτήν την ενέργεια. Αλλά είναι σαφές ότι οι ατομικοί πυρήνες στο πλάσμα – τρίτιο και δευτέριο – κινούνται βίαια. Ανάλογα με το πώς κινούνται σε σχέση με τον ανιχνευτή, αυτά τα ιόντα μπορεί να μεταφέρουν κάποια επιπλέον ενέργεια στα νετρόνια ή να αφαιρέσουν λίγη.

Αυτό σημαίνει ότι αντί να εμφανίζονται ως μια απότομη γραμμή σε μια συγκεκριμένη ενέργεια, τα νετρόνια εξέρχονται σε μια σειρά ενεργειών που σχηματίζουν μια ευρεία καμπύλη. Η κορυφή αυτής της καμπύλης σχετίζεται με την κίνηση των ιόντων στο πλάσμα, και επομένως τη θερμοκρασία του πλάσματος. Περισσότερες λεπτομέρειες μπορούν να εξαχθούν από το σχήμα της καμπύλης.

Μεταξύ του σημείου ανάφλεξης και του σημείου καύσης, φαίνεται να έχουμε μια ακριβή κατανόηση του πώς η θερμοκρασία του πλάσματος σχετίζεται με την ταχύτητα των ατόμων στο πλάσμα. Τα δεδομένα από τα νετρόνια ευθυγραμμίζονται καλά με την καμπύλη που υπολογίζεται από τις προβλέψεις μοντέλων μας. Ωστόσο, όταν το πλάσμα μεταβεί στην καύση, τα πράγματα δεν είναι πλέον ίδια. Είναι σαν τα δεδομένα νετρονίων να βρίσκουν μια εντελώς διαφορετική καμπύλη και να την ακολουθούν.

Λοιπόν, τι μπορεί να εξηγήσει αυτή τη διαφορετική καμπύλη; Δεν είναι ότι δεν έχουμε ιδέα. Έχουμε ένα σωρό από αυτά και δεν υπάρχει τρόπος να τα ξεχωρίσουμε. Η ομάδα που ανέλυσε αυτά τα αποτελέσματα πρότεινε τέσσερις πιθανές εξηγήσεις, συμπεριλαμβανομένης της απροσδόκητης κινητικής μεμονωμένων σωματιδίων στο πλάσμα ή της αποτυχίας να ληφθούν υπόψη λεπτομέρειες στη συμπεριφορά των πλάσματος μάζας. Εναλλακτικά, το καιόμενο πλάσμα θα μπορούσε να εκτείνεται σε διαφορετική περιοχή ή να διαρκέσει για διαφορετικό χρονικό διάστημα από αυτό που θα περιμέναμε.

Σε κάθε περίπτωση, λένε οι συγγραφείς, «Η κατανόηση του λόγου αυτής της απόκλισης από την υδροδυναμική συμπεριφορά μπορεί να είναι σημαντική για την επίτευξη ισχυρής και επαναλαμβανόμενης ανάφλεξης».

φυσική της φύσης2022. DOI: 10.1038 / s41567-022-01809-3 (Σχετικά με τα DOI).