تحقیق درمورد همجوشی گرمای سوزاندن پلاسما غیرعادی

سال گذشته و پس از حدود یک دهه تلاش، فیزیکدانانی که در ماموت کار می کردند تاسیسات احتراق ملی (NIF) در ایالات متحده بالاخره موفق شد در ایجاد یک واکنش همجوشی خودپایدار. اما از آن زمان برای بازتولید این شاهکار تلاش کردند، آنها مشغول تلاش برای یافتن چیزی بودند که نتایج آزمایش هایشان را بسیار متغیر می کند. اکنون، یک یافته جدید در NIF ممکن است سرنخی ارائه دهد - یون‌های موجود در آنچه به عنوان پلاسمای سوزان شناخته می‌شود، دارای توزیع انرژی جنبشی غیرمنتظره‌ای هستند که همجوشی را تشویق می‌کند.

NIF 3.5 میلیارد دلاری در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا برای بازسازی شرایط داخل کلاهک های هسته ای با هدف اصلی حفظ انبار تسلیحات ایالات متحده بدون آزمایش طراحی شده است. این تاسیسات همچنین برای توسعه یک منبع جدید پاک و فراوان از انرژی همجوشی استفاده می شود. این کار را با شلیک پالس های لیزری فوق العاده قدرتمند به یک استوانه فلزی توخالی به طول 1 سانتی متر انجام می دهد. این اشعه ایکس تولید می کند که سپس یک کپسول به اندازه دانه فلفل را در مرکز سیلندر که از الماس صنعتی ساخته شده و حاوی ایزوتوپ های هیدروژن دوتریوم و تریتیوم است، تابش می کند. با منفجر شدن مقداری از الماس، کپسول به سرعت منفجر می شود و برای کسری از ثانیه پلاسمایی با دماها و فشارهای شدید مورد نیاز برای جوش دادن هسته های نور به یکدیگر ایجاد می کند - ذرات آلفا، نوترون ها و انرژی اضافی تولید می کند.

از زمانی که NIF در سال 2009 روشن شد، دانشمندان تلاش کردند تا بازده همجوشی قابل توجهی تولید کنند - به هیچ وجه به تولید انرژی بیشتر از آنچه برای تامین انرژی لیزر نیاز است نزدیک نشده اند. اما در اوایل سال 2021 آنها خبرهای خوبی داشتند و گزارش مشاهده یک پلاسما در حال سوختن را گزارش کردند که در آن ذرات آلفا منبع اصلی گرما برای پلاسما هستند. در آگوست سال گذشته نتیجه چشمگیرتری به دنبال داشت: the احتراق از پلاسما در این مورد، گرمایش ذرات آلفا برای پیشی گرفتن از تمام تلفات انرژی در پلاسما کافی بود و خروجی عظیم 1.37 مگا ژول را فعال می کرد. این بیش از 70 درصد از 1.92 مگا ژول ارائه شده توسط لیزر و تقریباً هشت برابر بهترین شات قبلی آنها است.

پس از آن محققین سعی کرد آن نتیجه را بازتولید کند اما چهار شات دیگر در چند ماه بعد در بهترین حالت حدود نیمی از خروجی رکوردشکنی را داشت. آنها در سپتامبر امسال شانس بهتری داشتند، زمانی که از یک پالس لیزری 1.2 MJ حدود 2.08 مگا ژول به دست آوردند. این ورودی بیشتر به آنها اجازه داد از کپسول ضخیم‌تری استفاده کنند، که نسبت به مشکلی که در عکس‌های قبلی رخ می‌دهد حساسیت کمتری داشت - نقص‌های کوچک در الماس که می‌تواند باعث ورود کربن به "نقطه داغ" همجوشی و سرد شدن واکنش‌ها شود.

توزیع جنبشی شگفت انگیز

در حال حاضر، کار جدید توسط ادوارد هارتونی لارنس لیورمور و همکارانش در ایالات متحده و بریتانیا می‌توانند عملکرد متناقض NIF را در مورد فیوژن روشن کنند. آنها دریافتند که انرژی جنبشی جفت یون دوتریوم-تریتیوم در حال واکنش در پلاسمای در حال سوختن NIF از توزیع ماکسول-بولتزمن مورد انتظار که مشخصه پلاسمای حرارتی است، پیروی نمی کند.

محققان خواص یون ها را با انجام طیف سنجی نوترون های تولید شده در کنار ذرات آلفا اندازه گیری کردند. اگرچه نوترون‌ها با یک انرژی در همه جهات در چارچوب مرجع هسته‌های همجوشی گسیل می‌شوند، اما از آزمایشگاه مشاهده می‌شود که با نوسانات حرارتی و حرکت توده‌ای پلاسما به اطراف تکان می‌خورند. این بدان معناست که طیف انرژی نوترون های ساطع شده اطلاعاتی در مورد رفتار یون ها ارائه می دهد.

هارتونی و همکارانش داده های نوترون ایزوتروپیک را با استفاده از پنج طیف سنج زمان پرواز که در نقاط مختلف اطراف هدف همجوشی قرار داشتند، جمع آوری کردند. پس از ترسیم نتایج، آنها توانستند سرعت متوسط ​​یون ها - و در نتیجه انرژی جنبشی - را با اندازه گیری جابجایی بین پیک طیفی نوترون ها و انرژی که در واکنش های همجوشی دوتریوم-تریتیوم به دست می آورند، محاسبه کنند. به روشی مشابه دمای یون ها را محاسبه کردند.

شیب تندتر

محققان نتایج آزمایش‌های انفجاری متعدد در NIF را با ترسیم همه آنها بر روی نمودار سرعت یون در برابر دما تجزیه و تحلیل کردند. با انجام این کار، آنها دریافتند که نقاط داده در دو گروه مجزا در کنار هم قرار می گیرند. در محدوده خطای تجربی، آن عکس‌هایی که خروجی همجوشی کمتری داشتند، شیب ملایمی را که مشخصه پلاسمای حرارتی کاهش می‌داد، دنبال کردند. در حالی که عکس‌هایی که انرژی‌های همجوشی بالاتری تولید می‌کنند، در عوض در زاویه‌ای تندتر منحرف می‌شوند.

خروجی عکس‌های اخیر در واقع با دمای یون مطابقت با سرعت یون شات‌ها به جای دمای اندازه‌گیری شده (پایین‌تر) یون آنها مطابقت دارد. محققان می‌گویند که یون‌ها می‌توانند «طیف انرژی فوق‌گرمایی» داشته باشند و تعداد بیشتری از آنها انرژی‌های مطلوب برای واکنش‌های همجوشی نسبت به پلاسمای حرارتی دارند.

هارتونی و همکاران هنوز باید مشخص کنند که چه چیزی باعث این انحراف از توزیع ماکسول-بولتزمن شده است. آنها به چندین توضیح بالقوه اشاره می کنند، اما هر کدام دارای کاستی هایی هستند. برای مثال، آنها پیشنهاد می‌کنند که ممکن است نوترون‌های کمتری از آن سوی نقطه داغ به آشکارسازهایشان برسد تا نوترون‌هایی که در سمت نزدیک ساطع می‌شوند. این تمایل به افزایش مصنوعی انرژی متوسط ​​نوترون دارد. اما آنها می گویند که مشاهدات تشخیصی دیگر نشان می دهد که نقطه داغ به اندازه کافی متراکم نیست تا این اثر را توضیح دهد. به همین ترتیب، آنها نتیجه می‌گیرند که اعوجاج اندازه‌گیری به دلیل یک فاصله مکانی بین کانون و مرکز کپسول را می‌توان رد کرد زیرا تصاویر اشعه ایکس پلاسما چنین تغییری را نشان نمی‌دهند.

محققان می گویند که به انجام آزمایش ها، تجدید نظر در نظریه و انجام شبیه سازی های کامپیوتری برای شناسایی علت ناهنجاری ادامه می دهند. اگر آنها موفق باشند، با توجه به استفانو آتزنی از دانشگاه رم "La Sapienza"، آنها ممکن است در موقعیت بهتری برای کنترل واکنش های همجوشی NIF باشند تا امکان احتراق در صورت تقاضا فراهم شود. او می‌گوید: «مدل‌های دقیق‌تر فرآیندهای فیزیکی پایه، شبیه‌سازی را پیش‌بینی‌تر می‌کند.

تحقیق در شرح داده شده است طبیعت.