Optag neutrontal ved Sandia Labs Z maskinfusionsforsøg

En relativt ny metode til at kontrollere atomfusion, der kombinerer en massiv stød af elektricitet med stærke magnetfelter og en kraftig laserstråle, har opnået sit eget rekordudbytte af neutroner - en nøglestandard, ved hvilken fusionsindsatsen bedømmes - ved Sandia National Laboratories 'Z pulserede kraftværk, den mest kraftfulde producent af røntgenstråler på jorden.

Præstationen, fra et projekt kaldet MagLIF, til magnetiseret liner inertial fusion, blev rapporteret i et papir, der blev offentliggjort 9. oktober i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Produktionen i neutroner i de sidste to år steg med mere end en størrelsesorden, "sagde Sandia -fysiker og hovedforsker Matt Gomez." Vi er ikke kun glade for, at de forbedringer, vi implementerede, førte til denne stigning i produktionen, men at stigningen præcist var forudsagt af teori. "

MagLIF-neutronproduktionen steg til 10 til den 13. ved hjælp af deuteriumbrændstof (10 til den 15. ville repræsentere den hundrede gange outputforøgelse, der generelt accepteres af forskere, hvis en lige blanding af deuterium og tritium DT, var blevet brugt) og den gennemsnitlige iontemperatur fordoblet. Dette blev opnået ved en samtidig stigning på 50 procent i det anvendte magnetfelt, en tredobling af laserenergi og en stigning i Z's effektindgang fra 16 til 20 mega-ampere, Sagde Gomez.

"Produktionen var kun 2 kilojoules DT, en relativt lille mængde energi, "sagde han. En kilojoule er defineret som varmeenergien, der spredes ved en strøm på 1, 000 ampere, der passerer gennem en 1-ohm modstand i et sekund. "Men baseret på de eksperimenter, vi har foretaget hidtil, som viser en faktor på 30 forbedringer på fem år og simuleringer i overensstemmelse med disse eksperimenter, vi tror, ​​at et 30-50 kilojoule -udbytte er muligt, bringe os nær staten kendt som videnskabelig break-even. "

Stigningen i produktionen, forudsagt af ændringer i input, angiver, at et forslag om at bygge en maskine, der er endnu større end Z og bedre udstyret til at overskride break-even, har nu et stærkere grundlag for at fremsætte denne anmodning, sagde Gomez.

"Resultaterne på MagLIF har vakt en enorm interesse for fusionsforskning, der - ved at kombinere magnetisme, lasere og elektrisk energi - spænder over plasmatilstandene mellem traditionel inertial indeslutningsfusion, ligesom laserne på Lawrence Livermore National Lab's National Ignition Facility, og traditionel magnetisk indeslutningsfusion som det internationale ITER -projekt i Sydfrankrig, "sagde Dan Sinars, direktør for Sandias Pulsed Power Sciences Center. "MagLIFs succes har ført til nye programmer og flere fusionsstart-ups, og har hjulpet med at opbygge interesse for denne bredere tilgang. "

Fordi ydeevne og plasmabetingelser varierede forudsigeligt med ændringer i inputparametre, Sandia fusion eksperimenter manager David Ampleford sagde, "Vi har yderligere tillid til, at vi kan skalere MagLIF til højere strømme."

Break-even er det mellemliggende mål

Break-even opstår, når mængden af ​​energi, der investeres i brændstoffet, er lig med den mængde energi, det udsender, en milepæl præstation for dem i feltet. Når der udsendes mere energi end der er behov for for at opretholde forsøget - en tilstand kendt som "højt udbytte" - vil verdens drøm om ren energi fra havvand, det mest tilgængelige materiale på jorden, vil tage et kæmpe skridt fremad.

Havvand indeholder en variant af brint kaldet deuterium, som indeholder en ekstra neutron, og tritium, som har to ekstra neutroner. Disse ekstra neutroner er smeltbare, hvilket betyder, at de frigiver fusionsenergi, når de kan kombinere. Deuterium, lettere at arbejde med, er det valgte materiale i næsten hvert fusionseksperiment på Z, med tritiums mere energiske tilstedeværelse undertiden simuleret.

Selv før du når break-even, arbejdet er nyttigt:Data fra stadig mere kraftfulde fusionsreaktioner, der føres ind i supercomputere, informerer Sandias lagerforvaltningsarbejde, der sikrer, at landets atomvåben er sikre, sikker og pålidelig.

Historien om MagLIF begynder med en teori

Teorien bag Sandias MagLIF -fusionsmetode opstod for et årti siden på Sandia af et team ledet af teoretisk fysiker Steve Slutz. Metoden kombinerer en massiv elektrisk puls fra Z med et laserudbrud, der forvarmer et deuterium-mål med til tider isnende blyant-viskelæder-størrelse, bringe det tættere på en passende starttemperatur, hvorfra man kan klatre til fusion. Metoden anvender derefter et magnetfelt til at holde ladede partikler inden for det cylindriske driftsområde, så de smelter sammen i større antal. Derefter, stadig informeret af teori, kom en bølge af forbedringer, senest ledet af Gomez's Sandia -team.

Teamet formindskede tykkelsen af ​​et klart plastvindue, der begrænsede fusionsgassen ved stuetemperatur, men også delvis skjulte en indgangsport til laserstrålen.

I første omgang, holdet valgte konservativt et meget tykt vindue for at sikre, at det ikke sprængte inden eksperimentet og ødelagde målet, Sagde Gomez. Efterfølgende, teamet testede nøje vinduesmaterialer i forskellige tykkelser for at identificere det tryk, hvor hver ville mislykkes.

"Vi fastslog, at vi groft kunne halvere tykkelsen og stadig robust indeholde fusionsbrændstoffet, "Sagde Gomez.

Det lille vindue, der forsvandt

Brændstoffet bevaret, forskerne vendte sig til computersimuleringer, der viste, hvor stor forbedring der kunne forventes i laserstrålens energikobling med målet, givet at vindues tykkelsen var reduceret.

"Laseren passerer ikke gennem vinduet på den måde, vi traditionelt tror, ​​det ville, "Gomez sagde." Laseren er så intens, at den rent faktisk ioniserer vinduet, konvertere det til et plasma, varme det op, indtil det bliver mere eller mindre gennemsigtigt for laseren. Processen med at opvarme vinduet til disse ekstreme temperaturer tegner sig for en anstændig brøkdel af den tabte laserenergi. Vi fjernede cirka halvdelen af ​​vinduesmaterialets masse, så vi behøver ikke at varme så meget op, så vi mister mindre energi.

"Vores simuleringer blev efterfølgende bekræftet med forsøg, "Sagde Gomez.

Sandia øgede også magten i de magnetiske felter, der forhindrede ladede partikler i at forlade spillefeltet, hvilket gør det mere sandsynligt, at de ville blive ved med at interagere og smelte sammen.

Et andet problem, der var overvundet, var, hvordan man øger styrken på to magnetiske spoler, samtidig med at der opretholdes et vindue mellem dem til diagnostisk adgang, Sagde Gomez. "Tidligere har vi skulle beslutte mellem et større magnetfelt uden diagnostisk adgang, som vi var tilbageholdende med selv at prøve, og et mindre magnetfelt med diagnostisk adgang, "Gomez sagde." Vi har nu det større felt og den diagnostiske adgang, som vi opnåede gennem intern forstærkning af spolerne. "

Reaktionernes stabilitet er fortsat et problem, efterhånden som kraftfulde driftskræfter stiger. Fusionsimplosionen, rystet over øget input, kan dreje ud i ingenting. Men simuleringer viser, at højere tryk i brændstofområdet skal virke for at stabilisere mod øgede indgående kræfter.

"Break-even er stadig to størrelsesordener væk, men simuleringer, der fanger vores eksperimentelle tendenser, indikerer, at en anden størrelsesorden er stigning i udbytte mulig med yderligere stigninger i inputparametre, "Sagde Gomez.

Han nævner mere brændstof, kraftigere laserudbrud, magnetfelter og elektriske impulser som kontrollerbare medvirkende faktorer, der fører til højere output, som han anser for uundgåelig.