Forskere bestemmer ny metode til måling af plasmaer med høj energitæthed og facilitering af inertial indeslutningsfusion

Et internationalt hold af videnskabsmænd har afsløret en ny metode til at fremme udviklingen af ​​fusionsenergi gennem øget forståelse af egenskaberne af varmt tæt stof, en ekstrem tilstand af stof, der ligner den, der findes i hjertet af gigantiske planeter som Jupiter.

Resultaterne, ledet af Sophia Malko fra US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), beskriver en ny teknik til at måle "stoppekraften" af nukleare partikler i plasma ved hjælp af ultraintense lasere med høj gentagelseshastighed. Forståelsen af ​​protonstoppende kraft er særlig vigtig for inertial indeslutningsfusion (ICF).

Styrker solen og stjernerne

Denne proces står i kontrast til skabelsen af ​​fusion ved PPPL, som opvarmer plasma til millioner graders temperaturer i magnetiske indeslutningsfaciliteter. Plasma, den varme, ladede tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner eller ioner, giver næring til fusionsreaktioner i begge typer forskning, som har til formål at reproducere på Jorden den fusion, der driver solen og stjernerne som en kilde til sikker, ren og praktisk talt ubegrænset energi til at generere verdens elektricitet.

"Stopkraft" er en kraft, der virker på ladede partikler på grund af kollisioner med elektroner i stoffet, der resulterer i energitab. "For eksempel, hvis du ikke kender protonens standsningsevne, kan du ikke beregne mængden af ​​energi, der er deponeret i plasmaet og derfor designe lasere med det rigtige energiniveau til at skabe fusionsantændelse," sagde Malko, hovedforfatter til et papir, der skitserer resultaterne i Nature Communications . "Teoretiske beskrivelser af stopkraften i stoffer med høj energitæthed og især i varme tætte stoffer er vanskelige, og målinger mangler stort set," sagde hun. "Vores papir sammenligner eksperimentelle data om tab af protonenergi i varmt tæt stof med teoretiske modeller for stopkraft."

Nature Communications forskning undersøgte protonstoppende kraft i et stort set uudforsket regime ved at bruge lavenergi-ionstråler og laserproducerede varme tætte plasmaer. For at producere lavenergi-ionerne brugte forskere en speciel magnetbaseret enhed, der udvælger lavenergisystemet med fast energi fra et bredt protonspektrum genereret af interaktionen mellem lasere og plasma. Den valgte stråle passerer derefter gennem laserdrevet varmt tæt stof, og dets energitab måles. Teoretisk sammenligning med eksperimentelle data viste, at det nærmeste match var skarpt uenig med klassiske modeller.

I stedet kom den tætteste enighed fra nyligt udviklede første-princip-simuleringer baseret på en kvantemekanisk tilgang med mange kroppe eller interagerende, sagde Malko.

Nøjagtige stopmålinger

Præcise stopmålinger kan også fremme forståelsen af, hvordan protoner producerer det, der er kendt som hurtig ignition, et avanceret skema for inertial indeslutningsfusion. "I protondrevet hurtig tænding, hvor protoner skal opvarme komprimeret brændstof fra meget lave temperaturer til høje temperaturer, er protonens standsningsevne og den materielle tilstand tæt forbundet," sagde Malko.

"Stopkraften afhænger af densiteten og temperaturen i den materielle tilstand," forklarede hun, og begge er igen påvirket af energien aflejret af protonstrålen. "Således fører usikkerheder i stopkraften direkte til usikkerheder i den samlede protonenergi og laserenergi, der er nødvendig for antændelse," sagde hun.

Malko og hendes team udfører nye eksperimenter på DOE LaserNetUS-faciliteterne ved Colorado State University for at udvide deres målinger til den såkaldte Bragg-spidsregion, hvor det maksimale energitab forekommer, og hvor teoretiske forudsigelser er mest usikre.

Medforfattere til dette papir omfattede 27 forskere fra USA, Spanien, Frankrig, Tyskland, Canada og Italien. + Udforsk yderligere

Afsløring af en ny måde at bringe den energi, der driver solen og stjernerne til Jorden