בשנה שעברה ואחרי כעשור של ניסיונות, עבדו פיזיקאים בממותה מתקן הצתה לאומי (NIF) בארה"ב סוף סוף הצליח ביצירת תגובת היתוך המקיימת את עצמה. אבל מאז התקשו לשחזר את ההישג, הם עסוקים בניסיון להבין מה הופך את תוצאות הניסויים שלהם לכל כך משתנות. כעת, ממצא חדש ב-NIF עשוי לספק רמז - ליונים במה שמכונה פלזמה בוערת יש פיזור אנרגיה קינטית בלתי צפויה, המעודדת היתוך.
3.5 מיליארד דולר NIF במעבדה הלאומית לורנס ליברמור בקליפורניה תוכנן לשחזר את התנאים בתוך ראשי נפץ גרעיניים, במטרה העיקרית לשמור על מאגר הנשק האמריקאי ללא ניסויים. המתקן משמש גם לפיתוח מקור חדש ונקי ושופע של אנרגיית היתוך. הוא עושה זאת על ידי ירי פולסי לייזר חזקים במיוחד על גליל מתכת חלול באורך 1 ס"מ. זה יוצר קרני רנטגן שמקרינות אז קפסולה בגודל גרגיר פלפל במרכז הגליל העשויה מיהלום תעשייתי ומכילה את איזוטופי המימן דאוטריום וטריטיום. עם התפוצצות חלק מהיהלום, הקפסולה מתפוצצת במהירות ולחלקיק שנייה יוצרת פלזמה עם הטמפרטורות והלחצים הקיצוניים הדרושים כדי למזג את גרעיני האור יחד - מה שמניב חלקיקי אלפא, נויטרונים ועודף אנרגיה.
מאז הפעלת NIF ב-2009, מדענים נאבקו לייצר תפוקות היתוך משמעותיות - לא מתקרבים להפקת יותר אנרגיה מהדרוש להפעלת הלייזר. אבל בתחילת 2021 היו להם חדשות טובות, שדיווחו על תצפית בפלזמה בוערת שבה חלקיקי האלפא הם מקור החום העיקרי לפלזמה. לאחר מכן הגיעה תוצאה מושכת עין עוד יותר באוגוסט בשנה שעברה: ה הצתה של הפלזמה. במקרה זה חימום חלקיקי האלפא הספיק כדי לעקוף את כל הפסדי האנרגיה בתוך הפלזמה ואפשר תפוקה עצומה של 1.37 MJ. זהו יותר מ-70% מ-1.92 MJ שנמסר על ידי הלייזר ופי שמונה בערך מהזריקה הטובה ביותר הקודמת שלהם.
חוקרים אז ניסה לשחזר את התוצאה הזו אבל עוד ארבע זריקות בחודשים הבאים הניבו במקרה הטוב כמחצית מהתפוקה שוברת השיאים. היה להם יותר מזל בספטמבר השנה כשהשיגו כ-1.2 MJ מדופק לייזר של 2.08 MJ. הקלט הגדול הזה אפשר להם להשתמש בקפסולה עבה יותר, שהייתה פחות רגישה לבעיה שפקדה את הזריקות הקודמות - פגמים זעירים ביהלום שעלולים לגרום לפחמן להיכנס ל"נקודה החמה" של היתוך ולקרר את התגובות.
התפלגות קינטית מפתיעה
עכשיו, עבודה חדשה מאת אדוארד הרטוני של לורנס ליברמור ועמיתיו בארה"ב ובבריטניה יכולים לשפוך אור על הביצועים הלא עקביים של NIF בכל הנוגע להיתוך. הם מצאו כי האנרגיה הקינטית של זוגות יוני ה-deuterium-tritium המגיבים בפלזמה הבוערת של NIF אינה עוקבת אחר התפלגות מקסוול-בולצמן הצפויה האופיינית לפלזמות תרמיות.
החוקרים מדדו את תכונות היונים על ידי ביצוע ספקטרוסקופיה של הנייטרונים שנוצרו לצד חלקיקי האלפא. למרות שהנייטרונים נפלטים באנרגיה בודדת לכל הכיוונים במסגרת הייחוס של גרעיני ההיתוך, מהמעבדה הם נדחקים על ידי תנודות תרמיות ותנועת הפלזמה. המשמעות היא שספקטרום האנרגיה של הנייטרונים הנפלטים מספק מידע על התנהגות היונים.
הרטוני ועמיתיו אספו נתוני נויטרונים איזוטרופיים באמצעות חמישה ספקטרומטרים של זמן טיסה הממוקמים בנקודות שונות סביב יעד ההיתוך. לאחר שרטוט התוצאות, הם הצליחו לחשב את המהירות הממוצעת של היונים - ומכאן את האנרגיה הקינטית - על ידי מדידת ההיסט בין השיא הספקטרלי של הנייטרונים לבין האנרגיה שהם כידוע רוכשים בתגובות היתוך דיוטריום-טריטיום. באופן דומה, הם חישבו את הטמפרטורה של היונים.
שיפוע תלול יותר
החוקרים ניתחו את התוצאות מניסויי פיצוץ רבים ב-NIF על ידי שרטוט של כולן על גרף של מהירות יונים מול טמפרטורה. כשעשו זאת, הם גילו שנקודות הנתונים התקבצו יחד בשתי קבוצות שונות. בגבולות הטעות הניסיונית, הצילומים עם תפוקת היתוך נמוכה יותר עקבו אחר השיפוע ההולך ופוחת עדין המאפיין של פלזמות תרמיות. ואילו היריות שהניבו אנרגיות היתוך גבוהות יותר במקום זאת סטו בזווית תלולה יותר.
אבן דרך היתוך לייזר של מתקן ההצתה הלאומי מציתה ויכוח
הפלט של הזריקות האחרונות התאימה למעשה לטמפרטורות יונים התואמות את מהירות היונים של היריות ולא לטמפרטורות היונים הנמדדות (הנמוכות יותר) שלהם. החוקרים אומרים כי ליונים יכול להיות "ספקטרום אנרגיה על-תרמית", וכי ליותר מהם יש אנרגיות טובות לתגובות היתוך מאשר לפלזמה תרמית.
הרטוני ועמיתיו עדיין צריכים לקבוע מה גורם לעזיבה זו מהפצת מקסוול-בולצמן. הם מצביעים על כמה הסברים אפשריים, אבל לכל אחד יש את החסרונות שלו. לדוגמה, הם מציעים שייתכן שיהיו פחות נויטרונים מעבר לנקודה החמה המגיעים לגלאים שלהם מאשר אלה הנפלטים בצד הקרוב. זה נוטה לנפח באופן מלאכותי את אנרגיית הנייטרונים הממוצעת. אבל הם אומרים שתצפיות אבחנתיות אחרות מרמזות שהנקודה החמה אינה צפופה מספיק כדי להסביר את ההשפעה הזו. כמו כן, הם מסיקים שניתן לשלול עיוותים במדידה עקב היסט מרחבי בין הנקודה החמה למרכז הקפסולה מכיוון שתמונות רנטגן של הפלזמה לא מציגות היסט כזה.
החוקרים אומרים שהם ממשיכים לבצע ניסויים, לשנות תיאוריה ולבצע סימולציות ממוחשבות כדי לנסות לאתר את הסיבה לאנומליה. אם יצליחו, לפי סטפנו אטצ'ני מאוניברסיטת רומא "La Sapienza", הם עשויים להיות בעמדה טובה יותר לשלוט בתגובות ההיתוך של NIF כך שניתן יהיה להשיג הצתה לפי דרישה. "מודלים מדויקים יותר של תהליכים פיזיקליים בסיסיים הופכים את הסימולציה לחזוי יותר", הוא אומר.
המחקר מתואר ב טבע.
