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

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har afsløret kritiske nye detaljer om fusionsfaciliteter, der bruger lasere til at komprimere det brændstof, der producerer fusionsenergi. De nye data kan hjælpe med at føre til et forbedret design af fremtidige laserfaciliteter, der udnytter fusionsprocessen, der driver solen og stjernerne.

Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma - den varme, ladede tilstand af stof bestående af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere søger at kopiere fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Større eksperimentelle faciliteter omfatter tokamaks, de magnetiske fusionsenheder, som PPPL studerer; stellaratorer, de magnetiske fusionsmaskiner, som PPPL også studerer og for nylig er blevet mere udbredt over hele verden; og laseranordninger, der bruges i det, der kaldes inerti indeslutningseksperimenter.

Forskerne undersøgte virkningen af ​​at tilføje wolframmetal, som bruges til at lave skærende værktøjer og lampetråde, til det ydre lag af plasmabrændstofpellets i forskning i inerti indeslutning. De fandt ud af, at wolfram øger ydeevnen af ​​de implosioner, der forårsager fusionsreaktioner i pellets. Wolfram hjælper med at blokere varme, der ville hæve temperaturen i midten af ​​pelleten for tidligt.

Forskerholdet bekræftede resultaterne ved at foretage målinger ved hjælp af kryptongas, nogle gange brugt i lysstofrør. Når gassen først blev tilføjet til brændstoffet, udsendte den højenergilys kendt som røntgenstråler, der blev fanget af et instrument kaldet et højopløsnings røntgenspektrometer. Røntgenbillederne gav spor om, hvad der skete inde i kapslen.

"Jeg var spændt på at se, at vi kunne foretage disse hidtil usete målinger ved hjælp af den teknik, vi har udviklet de sidste par år. Disse oplysninger hjælper os med at evaluere pellets implosion og hjælper forskere med at kalibrere deres computersimuleringer," siger PPPL-fysiker Lan Gao, hovedforfatter. af papiret, der rapporterer resultaterne i Physical Review Letters . "Bedre simuleringer og teoretisk forståelse generelt kan hjælpe forskere med at designe bedre fremtidige eksperimenter."

Forskerne udførte eksperimenterne på National Ignition Facility (NIF), en DOE-brugerfacilitet ved Lawrence Livermore National Laboratory. Anlægget skinner 192 lasere på en guldcylinder eller hohlraum, der er en centimeter høj og omslutter brændstoffet. Laserstrålerne opvarmer hohlraumen, som udstråler røntgenstråler jævnt på brændstofpillen indeni.

"Det er ligesom et røntgenbad," sagde PPPL-fysiker Brian Kraus, der bidrog til forskningen. "Derfor er det godt at bruge en hohlraum. Du kan lyse lasere direkte på brændstofpillen, men det er svært at få ensartet dækning."

Forskere vil gerne forstå, hvordan pillen komprimeres, så de kan designe fremtidige faciliteter for at gøre opvarmningen mere effektiv. Men det er svært at få information om pillens indre. "Da materialet er meget tæt, kan næsten intet komme ud," sagde Kraus. "Vi vil gerne måle indersiden, men det er svært at finde noget, der kan gå gennem brændstofpillens skal."

"Resultaterne præsenteret i Lans papir er af stor betydning for inertifusion og gav en ny metode til at karakterisere brændende plasmaer," sagde Phil Efthimion, leder af Plasma Science &Technology Department hos PPPL og leder af samarbejdet med NIF.

Forskerne brugte et PPPL-designet røntgenspektrometer med høj opløsning til at opsamle og måle de udstrålede røntgenstråler med flere detaljer end tidligere målt. Ved at analysere, hvordan røntgenstrålerne ændrede sig hver 25. trilliontedel af et sekund, var holdet i stand til at spore, hvordan plasmaet ændrede sig over tid.

"Baseret på den information kunne vi estimere størrelsen og tætheden af ​​pelletkernen mere præcist end før, hvilket hjælper os med at bestemme effektiviteten af ​​fusionsprocessen," sagde Gao. "Vi leverede direkte beviser for, at tilsætning af wolfram øger både densitet og temperatur og derfor trykket i den komprimerede pellet. Som et resultat øges fusionsudbyttet."

"Vi ser frem til at samarbejde med teoretiske, beregningsmæssige og eksperimentelle hold for at tage denne forskning videre," sagde hun. + Udforsk yderligere

PPPL-forskere leverer ny højopløsningsdiagnostik til national laserfacilitet