Ny vej foreslået for nuklear fusion

Kontrolleret nuklear fusion har været en hellig gral for fysikere, der søger en endeløs forsyning af ren energi. Forskere ved Rice University, University of Illinois i Urbana-Champaign og University of Chile tilbød et indblik i en mulig ny vej mod dette mål.

Deres rapport om kvantekontrolleret fusion fremsætter ideen om, at snarere end at opvarme atomer til temperaturer fundet inde i solen eller smadre dem i en kolliderer, det kan være muligt at skubbe dem tæt nok til at smelte sammen ved hjælp af formede laserimpulser:ultrakorte, afstemte udbrud af sammenhængende lys.

Forfattere Peter Wolynes af Rice, Martin Gruebele fra Illinois og Illinois-alumnen Eduardo Berrios fra Chile simulerede reaktioner i to dimensioner, der, hvis ekstrapoleret til tre, måske bare producere energi effektivt fra deuterium og tritium eller andre grundstoffer.

Deres papir vises i festschrift-udgaven af Kemiske fysiske bogstaver dedikeret til Ahmed Zewail, Gruebeles postdoktorale rådgiver og nobelprismodtager for sit arbejde med femtokemi, hvor femtosekundlange laserglimt udløser kemiske reaktioner.

Den femtokemiske teknik er central for den nye idé om, at kerner kan skubbes tæt nok til at overvinde Coulomb-barrieren, der tvinger atomer med samme ladning til at frastøde hinanden. Når det er gennemført, atomer kan smelte sammen og frigive varme gennem neutronspredning. Når der skabes mere energi, end der skal til for at opretholde reaktionen, vedvarende fusion bliver levedygtig.

Tricket er at gøre alt dette på en kontrolleret måde, og videnskabsmænd har forfulgt et sådant trick i årtier, primært ved at indeholde brintplasmaer ved sollignende temperaturer (ved U.S. Department of Energy's National Ignition Facility og International Thermonuclear Experimental Reactor-indsats i Frankrig) og i store anlæg.

Det nye papir beskriver en grundlæggende proof-of-princip-simulering, der viser, hvordan i to dimensioner, en formet laserimpuls ville skubbe et molekyle af deuterium og tritium, dens kerner er allerede klaret i en meget mindre internuklear afstand end i et plasma, næsten tæt nok til at smelte sammen. "Det, der forhindrer dem i at komme sammen, er kernernes positive ladning, og begge disse kerner har den mindste ladning, 1, " sagde Wolynes.

Han sagde, at 2-D-simuleringer var nødvendige for at holde de iterative beregninger praktiske, selvom det krævede at fjerne elektroner fra modelmolekylerne. "Den bedste måde at gøre det på ville være at lade elektronerne være på for at hjælpe processen og kontrollere deres bevægelser, men det er et højere dimensionelt problem, som vi – eller nogen – vil tackle i fremtiden, " sagde Wolynes.

Uden elektronerne, det var stadig muligt at bringe kerner inden for en lille brøkdel af en ångstrøm ved at simulere virkningerne af formede 5-femtosekunder, nær-infrarøde laserimpulser, som holdt kernerne sammen i et "feltbundet" molekyle.

"I årtier, forskere har også undersøgt muon-katalyseret fusion, hvor elektronen i deuterium/tritium-molekylet er erstattet af en myon, " sagde Gruebele. "Tænk på det som en 208 gange tungere elektron. Som resultat, den molekylære bindingsafstand krymper med en faktor på 200, gør kernerne endnu bedre til fusion.

"Desværre, muoner lever ikke evigt, og den øgede fusionseffektivitet er lige ved at bryde selv i energiproduktion, " sagde han. "Men når formede vakuum ultraviolette laserimpulser bliver lige så tilgængelige som de nær-infrarøde, vi simulerede her, kvantekontrol af muonisk fusion kan få det over tærsklen."

Fordi modellen fungerer på kvanteniveau - hvor subatomære partikler er underlagt forskellige regler og har karakteristika for både partikler og bølger - kommer Heisenberg-usikkerhedsprincippet i spil. Det gør det umuligt at kende den præcise placering af partikler og gør tuning af lasere til en udfordring, sagde Wolynes.

"Det er klart, at den slags pulser, du har brug for, skal være meget skulpturelle og have mange frekvenser i dem, " sagde han. "Det vil sandsynligvis kræve eksperimenter at finde ud af, hvad den bedste pulsform skal være, men tritium er radioaktivt, så ingen vil nogensinde putte tritium i deres apparat, før de er sikre på, at det kommer til at virke."

Wolynes sagde, at han og Gruebele, hvis laboratorium studerer proteinfoldning, celle dynamik, nanostruktur mikroskopi, fiskes svømmeadfærd og andre emner, har tænkt over mulighederne i omkring et årti, selvom nuklear fusion er mere en hobby end et erhverv for begge. "Vi fik endelig modet til at sige, 'Godt, det er værd at sige noget om det.'

"Vi starter ikke et firma ... endnu, " sagde han. "Men der kan være vinkler her andre mennesker kan tænke igennem, som ville føre til noget praktisk selv på kort sigt, såsom produktion af korte alfapartikelimpulser, der kunne være nyttige i forskningsapplikationer.

"Jeg ville lyve, hvis jeg sagde, at da vi startede beregningen, Jeg håbede ikke, at det bare kunne løse menneskehedens energiproblemer, " sagde Wolynes. "På dette tidspunkt, det gør den ikke. På den anden side, Jeg synes, det er et interessant spørgsmål, der starter os på en ny vej."