Vědci potvrzují termonukleární fúzi v zařízení se smykovým tokem Z-pinch

Výzkum vedený fyziky z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ve výsledcích, které by mohly pomoci pokročit v další „schůdné cestě“ pro energii z jaderné syntézy, prokázal přítomnost neutronů produkovaných termonukleárními reakcemi ze zařízení Z-pinch lump-flow.

Výzkumníci použili pokročilé techniky počítačového modelování a diagnostické přístroje vybroušené v LLNL k vyřešení desetiletí starého problému rozlišení neutronů, které produkují. termonukleární reakce těch, které jsou výsledkem nestability plazmatu vyvolané iontovým paprskem v systému inerciální magnetické fúze.

Zatímco předchozí výzkum týmu ukázal, že neutrony měřené ze zařízení se smykovým prouděním namontovaným na Z-pinch byly „kompatibilní s termonukleární produkcí, ještě jsme to plně neprokázali,“ řekl fyzik LLNL Drew Higginson, jeden ze spoluautorů výzkumu nedávno. publikoval v Fyzika plazmatu.

„Toto je přímý důkaz, že termonukleární fúze produkuje tyto neutrony a ne ionty z nestability svazku,“ řekl Higginson, hlavní výzkumník týmu přenosné a adaptivní neutronové diagnostiky (PANDA), který provádí výzkum pod agenturou Energy Advanced Research Projects Agency ministerstva energetiky. Dohoda o energetické spolupráci (ARPA-E). „Neprokázalo se, že budou mít energetický zisk, ale je to slibný výsledek, který naznačuje, že jsou na pozitivní cestě.“

Fyzik LLNL James Mitrani byl hlavním autorem výzkumného dokumentu, který ukazuje, jak široký rozsah výzkumu in vitro prospívá větší fúzní komunitě nad rámec velkých pokroků provedených LLNL National Ignition Foundation (NIF), nejaktivnějším laserovým systémem na světě.

„Výzkum se zaměřil pouze na toto jediné zařízení, ale obecné techniky a koncepty jsou použitelné pro mnoho fúzních zařízení v systému mezomagnetické setrvačnosti,“ řekl Mitrani. Poznamenal, že systém funguje v oblasti mezi zařízeními pro laserovou fúzi, jako je NIF a Omega Laser Facility na University of Rochester, a fúzními zařízeními, která omezují plazma na čistě magnetický systém, jako je ITER (mnohonárodní projekt v jižní Francie), SPARC (ve výstavbě poblíž Bostonu). ) nebo jiná zařízení Tokamak.

Od srpna způsobil NIF pozdvižení v celosvětové vědecké komunitě, protože jeho experiment se samouzavřenou fúzí (ICF) přinesl 1,35 megajoulů (MJ) energie. Tento úspěch přivedl výzkumníky na práh vznícení – definovaný Národní akademií věd a Národní správou jaderné bezpečnosti, když exploze NIF produkuje více fúzní energie, než je množství laserové energie dodané do cíle. Tento snímek předchází pokroku, kterého vědci LLNL dosáhli při dosahování stavu spálené plazmy v laboratorních experimentech.

Fúze je zdroj energie nacházející se ve slunci, hvězdách a termonukleárních zbraních. Experimenty ICF společnosti NIF zaměřují 192 laserových paprsků na malý cíl, aby stlačily a zahřály částečně zmrzlé izotopy vodíku uvnitř palivové kapsle a vytvořily tak implozi, která kopíruje tlakové a teplotní podmínky nalezené pouze v jádrech hvězd a obřích planet a při explozi jader. zbraně. Kompresní stroje ve tvaru Z uskutečňují fúzi pomocí silného magnetického pole k omezení a „stlačení“ plazmy.

Koncept Z-pinch je relativně jednoduchý design, který existuje jako teoretický model od 30. let 20. století. Higginson však poznamenal, že má dlouhou historii „strašné nestability“, která brání schopnosti vytvářet podmínky potřebné pro čisté zisky energie z fúze.

V 90. letech 20. století začali vědci z LLNL spolupracovat s výzkumníky z University of Washington (UW), aby posunuli další slibnou cestu směrem ke zážehu, koncept stabilního Z-pinch střižného toku. Namísto výkonných upínacích magnetů používaných v jiných zařízeních typu Z-pinch využívají zařízení se smykovým tokem Z-pinch pulzní elektrický proud ke generování magnetického pole proudícího sloupcem plazmatu, aby se snížila nestabilita fúze.

„Problém s nestabilitou je v tom, že nevytváří životaschopnou cestu k výrobě energie, zatímco termonukleární fúze ano,“ řekl Higginson. „Diagnostika tohoto rozdílu byla vždy náročná, zejména v případě kmene ve tvaru Z.“

V roce 2015 byla výzkumným pracovníkům LLNL a UW udělena dohoda o spolupráci ARPA-E ve výši 5,28 milionů dolarů na testování fyziky stabilizace disku při vyšších energiích a tlakových proudech v rámci univerzitního projektu Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE).

V rámci následné dohody o spolupráci pro ARPA-E „Power Team“ se výzkumníci LLNL zaměřili na diagnostiku, která měří emise neutronů generované během procesu fúze, včetně prostorových umístění a časových profilů těchto emisí. Kombinace odborných znalostí plazmové diagnostiky národních laboratoří s rychlým provozem soukromých společností staví na každé z jejich individuálních silných stránek a je klíčovým cílem týmového programu integrační kapacity ARPA-E.

Se zúžením poloměru válce FuZE pro zvýšení tlaktaké způsobí poklesy v plazmatu, které budou generovat mnohem silnější magnetická pole, která způsobí plazma Vyladit se dovnitř více v určitých oblastech než v jiných. Stejně jako skřípnuté konce slavného tubulárního mletého hovězího by nestabilita nechtěné „klobásy“ vytvořila paprsky rychlejších iontů, které produkují neutrony, které by se daly zaměnit s žádoucími neutrony produkovanými termonukleárem.

Výzkumníci LLNL umístili dva blikající plastové detektory mimo zařízení, aby změřili účinky neutrony Protože se objevily během několika mikrosekund z různých bodů a úhlů mimo komoru Z-pinch.

„Ukázali jsme, že energie emitovaných neutronů byly stejné v různých bodech kolem tohoto zařízení, což ukazuje na přítomnost termonukleární energie. fúze zpětnou vazbu,“ řekl Matrani.

Analýza zahrnovala vytvoření grafů neutronových pulzů detekovaných leštičkami a jejich porovnání pomocí metod, jako jsou počítačové simulace Monte Carlo, které zkoumají všechny možné výsledky.

Diagnostika není nová, řekl Higginson, ale „myšlenka použití grafů energií jednotlivých neutronových pulzů k měření anizotropie – rozdílu v energiích, když se podíváte v různých směrech – je nová technologie a je to něco, o čem jsme přemýšleli. , vyvinuté a implementované zde. Navíc jsme spolupracovali s Kalifornskou univerzitou v Berkeley, což nám pomohlo zlepšit schopnost modelování vyřešit nejistoty měření a plně porozumět datům, která vidíme. Neprohlížíme si jen data .“

Výzkumný dokument „Thermal Neutron Emission from Z-pinch-Shear Flow“ byl publikován v listopadu a publikován z přednášky pozvané Mitrani prezentované na výročním zasedání American Physical Society – Division of Plasma Physics v roce 2020.

V LLNL League se k němu připojil Mitrani a Higginsonův kolega Harry MacLean; Joshua Brown a Thibault Laplace z Kalifornské univerzity v Berkeley; Bethany Goldblum z University of California, Berkeley a Lawrence Berkeley National Laboratory; a Elliot Clavo, Zach Draper, Eleanor Forbes, Ray Goolingo, Brian Nelson, Uri Shumlak, Anton Stepanov, Tobin Weber a Yu Zhang z Washingtonské univerzity.

Hledání vyplynulo ze soukromě financovaného startupu v Seattlu s názvem Zap Energy v roce 2017.

Hledání pokračuje v rámci nových grantů, přičemž podrobnější měření provedlo 16 detektorů, zatímco Zap Energy pokračuje ve svých experimentech.

„Chceme se zapojit, protože nevíme, jaká překvapení mohou přijít,“ řekl Higginson. „Může se ukázat, že když přejdete na vyšší proud, najednou začnete nestabilitu tlačit zpět. Chceme být schopni ukázat, že když proud stoupá, je možné udržet vysokou kvalitu a stabilitu.“