2022-11-29 16:42

激光聚变能堆未来设计的关键发现

这项在劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行并刊登在《自然物理》杂志上的研究表明,离子在聚变反应中的表现与之前预期的不同。图片来源:John Jett and Jake Long/LLNL

研究人员发现离子在聚变反应中表现不同。

根据劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)科学家的新发现,离子在聚变反应中的表现与之前预期的不同。这一发现为激光聚变能源的未来设计提供了至关重要的见解。

这一名为“燃烧等离子体中超热离子分布的证据”的发现刊登在11月14日出版的《自然物理》杂志上。

结果表明,高当量燃烧和点火惯性约束聚变实验(ICF)的中子能测量结果表明,处于热平衡状态的氘-氚等离子体(D-T)产生了高于预期的平均中子能。

LLNL的物理学家、该论文的主要作者阿拉斯泰尔·摩尔说:“这意味着,在最高表现的拍摄中,正在进行聚变的离子拥有比预期更多的能量,这是用来模拟ICF内爆的正常辐射流体动力学代码所不能预测的——或不能预测的。”

虽然研究人员还不清楚是什么推动了这一观察结果,但这是对正在发生聚变的离子最直接的测量之一,并没有被用于了解如何改进ICF内爆和实现实验室生成健壮可靠点火平台的任务的模拟所捕获。

摩尔解释说,论文中描述的测量结果有点像多普勒频移,当紧急车辆鸣笛驶过时,所听到的音调会发生变化。

摩尔说:“在国家点火装置(NIF)内爆中,当发生聚变反应时,如果氘和氚离子向探测器移动,我们就会从反应中观察到一个能量更高的中子。”“这使我们能够诊断驱动器和胶囊对称性中的重要失衡,这些失衡可能导致糟糕的内爆性能,因为一些探测器测量的平均中子能量比其他探测器高。”

这也为研究人员提供了了解等离子体温度的窗口。对于较热的等离子体,离子在每个方向上的平均运动速度都更快,因此氘和氚离子以更高的速度碰撞,额外的能量被反应释放的中子和粒子共享。

“这意味着所有探测器测量的中子平均速度都更高;因为它在所有的探测器中都能看到,我们称之为各向同性速度,但它实际上是氘和氚离子碰撞时可用的额外能量的测量,”摩尔说。“正因为如此,它可以直接测量正在发生聚变的离子。”

对于热等离子体来说,随着温度的升高,这些额外的能量的变化有一个固定的关系。

摩尔说:“这个结果的迷人之处在于,我们发现对于DT反应,NIF内爆一旦开始燃烧和点燃,就超过了这一关系,这表明离子有更多的能量,超过了基于我们测量的等离子体温度的预期,这导致了我们的术语超热。”

研究人员观察了多年的数据

这项研究的观察建立在NIF核诊断小组许多人过去5-10年的工作之上。摩尔说,这项工作是通过使用NIF上的5个中子飞行时间光谱仪发展的最先进的高精度测量而成为可能的。

新的切伦科夫nToF探测器技术的发明意味着研究人员能够在每秒5公里的不确定度下测量速度。这是万分之一的精度,否则就无法观察到这种效应。

把它放在具体的环境中,ICF中DT聚变反应产生的中子的平均能量意味着它们的速度超过每秒51000公里。这相当于不到十分之一秒的时间从旧金山到纽约。

论文中的数据是在2021年8月1.35MJ的结果之前提交的,研究人员继续看到令人兴奋的结果,随着我们从燃烧实验转向点燃实验,这一趋势继续偏离预期。

摩尔说:“对这个结果的一种解释是D离子和T离子不处于平衡状态。”“我们需要更先进的模拟能力来更好地理解这一问题,我们正在与洛斯阿拉莫斯国家实验室、帝国理工学院和麻省理工学院的合作者合作,应用这些能力来理解这一问题。”

参考:“证据”燃烧suprathermal离子分布的等离子体由e . p . Hartouni a . s .摩尔a . j .公布于众,b . d . Appelbe p . a . Amendt k·l·贝克·d·t·凯西·d·s·克拉克,t . Doppner m . j . Eckart j . e .字段,m . Gatu-Johnson g . p .严峻,r . Hatarik j .截s·m·克尔j .基尔肯尼a . l . Kritcher k·d·Meaney j·l·Milovich d·h·芒罗r . c .诺拉a . e . Pak j·e·拉尔夫·h·f·罗比,j·s·罗斯,d . j . Schlossberg s m . Sepke b . k .长矛,c . v .年轻,a . b . Zylstra2022年11月14日,自然物理。DOI: 10.1038 / s41567 - 022 - 01809 - 3

除了摩尔,LLNL的合著者还包括爱德华·哈图尼、彼得·阿曼特、凯文·贝克、丹尼尔·凯西、丹尼尔·克拉克、蒂洛·多普纳、马克·埃卡特、约翰·菲尔德、加里·格里姆、罗伯特·哈塔里克、贾斯汀·吉特、肖恩·科尔、安德里亚·克里彻、何塞·米洛维奇、大卫·门罗、瑞安·诺拉、亚瑟·帕克、约瑟夫·拉尔夫、史蒂文·罗斯、大卫·施洛斯伯格、斯科特·塞普克、布莱恩·斯皮尔斯、克里斯·杨和亚历克斯·兹尔斯特拉;洛斯阿拉莫斯国家实验室的凯文·米尼和哈里·罗比;来自伦敦帝国学院的aidan Crilly和Brian Appelbe;通用原子公司的约瑟夫·基尔肯尼;以及麻省理工学院的玛丽亚·加图-约翰逊。