Forskere opdaterer måleforhold nøglen til inerti indeslutning fusion eksperimenter

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har forfinet målingen af ​​gamma (γ)-til-neutron-forgreningsforholdet i deuterium-tritium (D-T) fusionsreaktioner.

Denne reaktion er en levedygtig kandidat til fusionsenergi, da den er kendt for at have det største tværsnit ved massecenterenergier under 500 keV. Der er forskellige grene af denne reaktion. Disse omfatter en intens neutronproducerende gren og væsentligt mindre intense γ-producerende grene, hvoraf sidstnævnte er fem størrelsesordener mindre intense end førstnævnte.

D-T γ-til-neutron-forgreningsforholdet er af fundamental interesse fra et nuklear- og plasmafysisk perspektiv, og en mere præcis måling kan øge teoretiske bestræbelser på disse områder. Dette forgreningsforhold er også af interesse i eksperimentelle bestræbelser mod kernefusion og relaterede nationale sikkerhedsapplikationer.

Resultaterne af arbejdet er omtalt i Physical Review C , med LLNL-fysiker Justin Jeet, der fungerer som hovedforfatter. Arbejdet involverede at analysere data fra et tidligere inertial confinement fusion (ICF) eksperiment udført i 2015, som ikke var optimeret til denne måling.

"De tidlige stadier af COVID-19-pandemien gav os fritid til at gense disse data med det mål at give en mere præcis måling af D-T γ-til-neutron-forgreningsforholdet," sagde Jeet. "Avisen supplerer tidligere målinger af forgreningsforholdet i ICF-implosioner og reducerer usikkerheden af ​​den rapporterede værdi med næsten en faktor tre."

Jeet forklarer, at begrænsning af dets værdi er altafgørende for eksperimentelle bestræbelser på inerti-indeslutning og magnetisk indeslutning.

"For tokamak-baserede atomreaktorer såsom ITER, er bestemmelse af effektforstærkningsfaktoren (Q), defineret som forholdet mellem produceret fusionskraft og den, der kræves for at opretholde plasmaet, afgørende," sagde Jeet. "Q kan bestemmes nøjagtigt ved at måle D-T-fusion γ-udbyttet sammen med den præcise værdi af D-T γ-til-neutron-forgreningsforholdet. Ved inertiindeslutningsfaciliteter kan D-T-forgreningsforholdet på samme måde give absolutte udbyttemålinger baseret på γ-strålediagnostik ."

Deuterium-tritium γ-til-neutron-forgreningsforholdet bestemmes i et ICF-eksperiment ved at bruge en krydskalibreringsteknik, der er afhængig af det uelastiske spredningstværsnit af neutroner i kulstof-12 ( ¹² C), et bedre kendt tværsnit. Fordi en ICF-implosion er pulseret, med nuklear produktion, der finder sted over ≈100 picosekunder (ps), ankommer DT-fusions-γ-strålerne først til en γ-detektor, Gas Cherenkov-detektoren (GCD). De producerede DT-fusionsneutroner kan interagere med en kulstofpuck, der er placeret opstrøms for GCD, og ​​genererer γ-stråler baseret på den uelastiske spredning. På grund af neutronernes transittid er ¹² C γs produceret i kulstofpucken ankommer til GCD senere i tid.

Værdien af ​​denne teknik er tilvejebragt af den tidsmæssige adskillelse af y-signalerne på detektoren. Forholdet mellem disse signaler, som begge opnås i en enkeltskuds ICF-implosion, bruges til at bestemme en D-T-forgreningsforholdsværdi på (4,6 ± 0,6) × 10 ⁻⁵ . Denne måling undgår behovet for absolutte detektorkalibreringer, som kan have store fejl, og er i stedet afhængig af det uelastiske spredningstværsnit af neutroner i ¹² C og præcisionen i målingen af ​​D-T-fusionsneutronudbyttet. Førstnævnte bestemmes ud fra adskillige eksperimenter udført i fortiden, og sidstnævnte måles med høj præcision i ICF-implosioner. Denne metode resulterer i en forgreningsforholdsmåling med en signifikant reduceret total fejl sammenlignet med tidligere ICF- og acceleratorbaserede eksperimenter.

Jeet sagde, at fremtidige eksperimenter vil blive udført denne sommer på Omega Laser Facility ved University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE) i Rochester, New York. Disse eksperimenter er designet til at optimere denne måling og vil yderligere forbedre præcisionen i D-T γ-til-neutron-forgreningsforholdet. Ud over at udføre en krydskalibrering mod ¹² C, bliver forskellige materialer undersøgt for yderligere at reducere de systematiske fejl som følge af krydskalibreringsteknikken. Disse eksperimenter har også til formål at give en krydskalibrering af D- ³ He γ-til-proton forgreningsforhold. + Udforsk yderligere

Nye dybe uelastiske spredningsforsøg måler to spejlkerner