Ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) раскрыли важные новые детали о термоядерных установках, которые используют лазеры для сжатия топлива, вырабатывающего термоядерную энергию. Новые данные могут помочь улучшить конструкцию будущих лазерных установок, использующих процесс термоядерного синтеза, приводящий в действие Солнце и звезды.
Термоядерный синтез объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — которое генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неиссякаемый источник энергии для выработки электроэнергии.
Основные экспериментальные установки включают токамаки, устройства для магнитного синтеза, которые изучает PPPL; стеллараторы, машины магнитного синтеза, которые также изучает PPPL и в последнее время получили более широкое распространение по всему миру; и лазерные устройства, используемые в так называемых экспериментах по инерционному удержанию.
Исследователи изучили влияние добавления металлического вольфрама, который используется для изготовления режущих инструментов и ламп накаливания, на внешний слой плазменных топливных таблеток в исследованиях инерционного удержания. Они обнаружили, что вольфрам повышает производительность имплозии, которая вызывает реакции синтеза в гранулах. Вольфрам помогает блокировать тепло, которое может привести к преждевременному повышению температуры в центре гранулы.
Исследовательская группа подтвердила выводы, проведя измерения с использованием газа криптона, который иногда используется в люминесцентных лампах. После добавления к топливу газ излучал высокоэнергетический свет, известный как рентгеновские лучи, который регистрировался инструментом, называемым рентгеновским спектрометром высокого разрешения. Рентгеновские снимки дали подсказки о том, что происходило внутри капсулы.
«Я был взволнован, увидев, что мы можем сделать эти беспрецедентные измерения, используя метод, который мы разрабатывали в течение последних нескольких лет. Эта информация помогает нам оценить имплозию шарика и помочь исследователям откалибровать свои компьютерные симуляции », — сказал физик PPPL Лан Гао, ведущий автор. статьи, сообщающей о результатах в Physical Review Letters. «Лучшее моделирование и теоретическое понимание в целом могут помочь исследователям лучше планировать будущие эксперименты».
Ученые провели эксперименты в Национальном центре зажигания (NIF), пользовательском объекте Министерства энергетики в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Объект направляет 192 лазера на золотой цилиндр, или хольраум, высотой один сантиметр, в котором заключено топливо. Лазерные лучи нагревают хольраум , который равномерно излучает рентгеновские лучи на топливную таблетку внутри.
«Это похоже на рентгеновскую ванну», — сказал физик PPPL Брайан Краус, участвовавший в исследовании. «Вот почему хорошо использовать хольраум. Вы можете посветить лазером прямо на топливную таблетку, но трудно добиться равномерного покрытия».
Исследователи хотят понять, как гранулы сжимаются, чтобы они могли проектировать будущие объекты, чтобы сделать отопление более эффективным. Но получить информацию о внутренней части гранулы сложно. «Поскольку материал очень плотный, почти ничего не может выйти», — сказал Краус. «Мы хотим измерить внутреннюю часть, но трудно найти что-то, что может пройти через оболочку топливной таблетки».
«Результаты, представленные в статье Лана, имеют большое значение для инерционного синтеза и предоставили новый метод определения характеристик горящей плазмы», — сказал Фил Эфтимион, глава отдела плазменной науки и технологий в PPPL и руководитель сотрудничества с NIF.
Исследователи использовали рентгеновский спектрометр высокого разрешения, разработанный PPPL, для сбора и измерения излучаемых рентгеновских лучей с большей детализацией, чем это было измерено ранее. Анализируя, как рентгеновские лучи меняются каждую 25-триллионную долю секунды, команда смогла отследить, как плазма менялась с течением времени.
«Основываясь на этой информации, мы могли более точно, чем раньше, оценить размер и плотность ядра гранулы, что помогло нам определить эффективность процесса синтеза», — сказал Гао. «Мы предоставили прямые доказательства того, что добавление вольфрама увеличивает как плотность, так и температуру и, следовательно, давление в сжатой таблетке. В результате увеличивается выход термоядерного синтеза ».
«Мы рассчитываем на сотрудничество с теоретическими, вычислительными и экспериментальными группами, чтобы продолжить это исследование», — сказала она.
Теги: плазма, радиация, Солнце, энергия