في العام الماضي وبعد حوالي عقد من المحاولة ، عمل فيزيائيون في الماموث مرفق الإشعال الوطني (NIF) في الولايات المتحدة نجح أخيرًا في توليد تفاعل اندماج مستدام ذاتيًا. لكن بعد أن كافحوا منذ ذلك الحين لإعادة إنتاج هذا العمل الفذ ، كانوا منشغلين بمحاولة معرفة ما يجعل نتائج تجاربهم متغيرة للغاية. الآن ، قد يوفر اكتشاف جديد في NIF دليلًا - الأيونات في ما يعرف بالبلازما المحترقة لها توزيع غير متوقع للطاقة الحركية ، مما يشجع على الاندماج.
تم تصميم صندوق NIF بقيمة 3.5 مليار دولار في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا لإعادة تهيئة الظروف داخل الرؤوس الحربية النووية ، بهدف أساسي هو الحفاظ على مخزون الأسلحة الأمريكية دون اختبار. تُستخدم المنشأة أيضًا لتطوير مصدر جديد نظيف ووفير لطاقة الاندماج. تقوم بذلك عن طريق إطلاق نبضات ليزر قوية بشكل استثنائي على أسطوانة معدنية مجوفة طولها 1 سم. يولد هذا أشعة سينية تشع بعد ذلك كبسولة بحجم حبة الفلفل في مركز الأسطوانة مصنوعة من الماس الصناعي وتحتوي على نظائر الهيدروجين الديوتيريوم والتريتيوم. مع تفجر بعض الماس ، تنفجر الكبسولة سريعًا ، وتخلق لجزء من الثانية بلازما بدرجات حرارة شديدة والضغوط اللازمة لدمج نوى الضوء معًا - مما ينتج عنه جزيئات ألفا والنيوترونات والطاقة الزائدة.
منذ تشغيل NIF في عام 2009 ، كافح العلماء لإنتاج عوائد اندماج كبيرة - لم يقتربوا من توليد طاقة أكثر مما هو مطلوب لتشغيل الليزر. لكن في أوائل عام 2021 ، كانت لديهم أخبار سارة ، حيث أبلغوا عن ملاحظة بلازما محترقة تكون فيها جسيمات ألفا المصدر الرئيسي للحرارة للبلازما. تبع ذلك نتيجة أكثر تشويقًا في أغسطس من العام الماضي: اشتعال من البلازما. في هذه الحالة ، كان تسخين جسيمات ألفا كافياً لتجاوز كل خسائر الطاقة داخل البلازما ومكن من إنتاج ضخم يبلغ 1.37 ميجا جول. يمثل هذا أكثر من 70٪ من 1.92،XNUMX ميجا جول التي يتم تسليمها بواسطة الليزر وحوالي ثمانية أضعاف أفضل لقطة سابقة لهم.
الباحثون بعد ذلك حاول إعادة إنتاج تلك النتيجة لكن أربع طلقات أخرى في الأشهر القليلة التالية أسفرت في أحسن الأحوال عن نصف الإنتاج القياسي. لقد كان حظهم أفضل في سبتمبر من هذا العام عندما حققوا حوالي 1.2 ميجا جول من نبضة ليزر 2.08 ميجا جول. سمح لهم هذا الإدخال الأكبر باستخدام كبسولة أكثر سمكًا ، والتي كانت أقل حساسية للمشكلة التي ابتليت بها الطلقات السابقة - عيوب صغيرة في الماس يمكن أن تتسبب في دخول الكربون إلى "البقعة الساخنة" للاندماج وتبريد التفاعلات.
توزيع حركي مدهش
الآن ، عمل جديد إدوارد حارتوني لورنس ليفرمور وزملائه في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة يمكن أن يسلطوا الضوء على أداء NIF غير المتسق عندما يتعلق الأمر بالاندماج. وجدوا أن الطاقة الحركية لأزواج أيونات الديوتيريوم والتريتيوم المتفاعلة في البلازما المحترقة لـ NIF لا تتبع توزيع ماكسويل بولتزمان المتوقع الذي يميز البلازما الحرارية.
قام الباحثون بقياس خصائص الأيونات من خلال إجراء التحليل الطيفي للنيوترونات المنتجة جنبًا إلى جنب مع جسيمات ألفا. على الرغم من أن النيوترونات تنبعث عند طاقة واحدة في جميع الاتجاهات داخل الإطار المرجعي لنواة الصهر ، إلا أنه يتم رؤيتها من المختبر من خلال التقلبات الحرارية وحركة البلازما الكلية. هذا يعني أن طيف الطاقة للنيوترونات المنبعثة يوفر معلومات حول سلوك الأيونات.
جمع هارتوني وزملاؤه بيانات نيوترونية متناحرة باستخدام خمسة مقاييس طيفية لوقت الطيران موضوعة في نقاط مختلفة حول هدف الاندماج. بعد رسم النتائج ، تمكنوا من حساب السرعة المتوسطة للأيونات - ومن ثم الطاقة الحركية - عن طريق قياس الإزاحة بين الذروة الطيفية للنيوترونات والطاقة التي من المعروف أنها تكتسبها في تفاعلات اندماج الديوتيريوم والتريتيوم. بطريقة مماثلة ، قاموا بحساب درجة حرارة الأيونات.
منحدر حاد
قام الباحثون بتحليل نتائج العديد من تجارب الانفجار الداخلي في NIF من خلال رسمها جميعًا على رسم بياني لسرعة الأيونات مقابل درجة الحرارة. عند القيام بذلك ، وجدوا أن نقاط البيانات مجمعة معًا في مجموعتين مختلفتين. ضمن حدود الخطأ التجريبي ، اتبعت تلك اللقطات ذات ناتج الاندماج المنخفض خاصية الانحدار المتناقص بلطف للبلازما الحرارية. في حين أن الطلقات التي تنتج طاقات اندماج أعلى انحرفت بدلاً من ذلك بزاوية أكثر حدة.
يُشعل معلم اندماج الليزر في مرفق الإشعال الوطني الجدل
في الواقع ، يتوافق ناتج اللقطات الأخيرة مع درجات حرارة الأيونات المطابقة لسرعة أيون الطلقات بدلاً من درجات حرارة الأيونات المقاسة (الأقل). يقول الباحثون أن الأيونات يمكن أن يكون لها "طيف طاقة فائق" ، وأن الكثير منها يحتوي على طاقات مواتية لتفاعلات الاندماج مقارنة بالبلازما الحرارية.
لا يزال يتعين على هارتوني وزملائه تحديد سبب هذا الابتعاد عن توزيع ماكسويل-بولتزمان. يشيرون إلى عدة تفسيرات محتملة ، لكن لكل منها عيوبه. على سبيل المثال ، يقترحون أنه قد يكون هناك عدد أقل من النيوترونات من خارج البقعة الساخنة التي تصل إلى أجهزة الكشف الخاصة بهم مقارنة بتلك المنبعثة من الجانب القريب. هذا من شأنه أن يؤدي إلى تضخيم متوسط الطاقة النيوترونية بشكل مصطنع. لكنهم يقولون إن الملاحظات التشخيصية الأخرى تشير إلى أن البقعة الساخنة ليست كثيفة بما يكفي لتفسير هذا التأثير. وبالمثل ، استنتجوا أن تشوهات القياس الناتجة عن الإزاحة المكانية بين النقطة الساخنة ومركز الكبسولة يمكن استبعادها لأن صور الأشعة السينية للبلازما لا تظهر مثل هذا الإزاحة.
يقول الباحثون إنهم مستمرون في إجراء التجارب ومراجعة النظرية وإجراء محاكاة حاسوبية لمحاولة تحديد سبب الشذوذ. إذا كانوا ناجحين ، وفقا ل ستيفانو أتزيني من جامعة روما "La Sapienza" ، فقد يكونون في وضع أفضل للتحكم في تفاعلات الاندماج الخاصة بـ NIF بحيث يصبح من الممكن تحقيق الاشتعال عند الطلب. يقول: "إن النماذج الأكثر دقة للعمليات الفيزيائية الأساسية تجعل المحاكاة أكثر توقعًا".
تم وصف البحث في الطبيعة.
