Lasergetriebene Fusionsenergien entsprechen nicht den Erwartungen

Am Montag wurde ein Papier veröffentlicht, das einige verwirrende Ergebnisse der National Ignition Facility beschreibt, die viele hochenergetische Laser verwendet, die auf ein kleines Ziel gerichtet sind, um eine Fusionsreaktion zu starten. In den letzten Jahren hat die Anlage einige wichtige Meilensteine ​​durchlaufen, darunter die Fusionszündung und die Erzeugung des sogenannten brennenden Plasmas.

Jetzt haben die Forscher die Eigenschaften des Plasmas analysiert, während es diese hochenergetischen Zustände durchläuft. Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass sich das brennende Plasma anders zu verhalten schien als das gezündete. Im Moment gibt es keine eindeutige Erklärung für den Unterschied.

Zündung versus Brennen

In den hier vorgestellten Experimenten ist das für die Fusion verwendete Material eine Mischung aus Tritium und Deuterium, zwei Isotopen, die schwerer als Wasserstoff sind. Diese verbinden sich, um ein Heliumatom zu erzeugen, wodurch ein Ersatzneutron emittiert werden kann; Die Energie der Fusionsreaktion wird in Form von Gammastrahlen freigesetzt.

Der Fusionsprozess wird durch einen kurzen, extrem intensiven Laserlichtstoß ausgelöst, der auf einen kleinen Metallzylinder gerichtet wird. Das Metall sendet intensive Röntgenstrahlen aus, die die Oberfläche benachbarter Körner verdampfen und eine intensive Hitze- und Druckwelle im Inneren der Körner erzeugen, wo sich Deuterium und Tritium befinden. Diese bilden hochenergetische Plasmen, die die Voraussetzungen für eine Fusion schaffen.

Wenn alles gut geht, zündet die übertragene Energie das Plasma, was bedeutet, dass für den Sekundenbruchteil, der vergeht, bevor alles explodiert, keine zusätzliche Energie benötigt wird, um Fusionsreaktionen am Laufen zu halten. Bei höheren Energien erreicht das Plasma einen als Verbrennung bezeichneten Zustand, in dem die sich bildenden Heliumatome so viel Energie tragen, dass sie das benachbarte Plasma zünden können. Dies ist entscheidend, da es bedeutet, dass der Rest der Energie (in Form von Neutronen und Gammastrahlen) geerntet werden kann, um nützliche Energie zu erzeugen.

Obwohl wir detaillierte Modelle der Physik haben, die unter diesen extremen Bedingungen stattfinden, müssen wir diese Modelle mit dem vergleichen, was im Plasma passiert. Da sowohl das Plasma als auch das Material, das es vorher umgab, dabei sind, zu explodieren, ist dies leider eine ziemliche Herausforderung. Um sich ein Bild davon zu machen, was vor sich gehen könnte, wandten sich die Forscher einem der Produkte der Fusionsreaktion selbst zu: den von ihr emittierten Neutronen, die die Trümmer passieren und von nahegelegenen Detektoren aufgenommen werden können.

Temperatur messung

Die Fusionsreaktionsphysik erzeugt Neutronen einer bestimmten Energie. Wenn in einem Material, in dem die Atome fixiert sind, eine Fusion auftritt, würden alle Neutronen mit dieser Energie austreten. Aber es ist klar, dass sich die Atomkerne im Plasma – Tritium und Deuterium – heftig bewegen. Je nachdem, wie sie sich relativ zum Detektor bewegen, können diese Ionen etwas zusätzliche Energie auf die Neutronen übertragen oder ein wenig abziehen.

Dies bedeutet, dass Neutronen nicht als scharfe Linie bei einer bestimmten Energie erscheinen, sondern in einem Energiebereich austreten, der eine breite Kurve bildet. Die Spitze dieser Kurve hängt mit der Bewegung von Ionen im Plasma und somit mit der Temperatur des Plasmas zusammen. Weitere Details können aus der Form der Kurve extrahiert werden.

Zwischen dem Zündpunkt und dem Verbrennungspunkt scheinen wir ein genaues Verständnis davon zu haben, wie die Temperatur des Plasmas mit der Geschwindigkeit der Atome im Plasma zusammenhängt. Die Daten der Neutronen stimmen gut mit der aus unseren Modellvorhersagen berechneten Kurve überein. Sobald Plasma jedoch auf Verbrennung umschaltet, sind die Dinge nicht mehr identisch. Es ist, als ob die Neutronendaten eine ganz andere Kurve finden und stattdessen dieser folgen.

Was könnte also diese unterschiedliche Kurve erklären? Es ist nicht so, dass wir keine Ahnung hätten. Wir haben ein paar davon und es gibt keine Möglichkeit, sie auseinander zu halten. Das Team, das diese Ergebnisse analysierte, schlug vier mögliche Erklärungen vor, darunter eine unerwartete Kinetik einzelner Partikel im Plasma oder ein Versäumnis, Details im Verhalten von Massenplasmen zu berücksichtigen. Alternativ könnte sich das brennende Plasma über einen anderen Bereich erstrecken oder eine andere Zeit andauern, als wir erwarten würden.

Auf jeden Fall, sagen die Autoren, „kann es wichtig sein, den Grund für diese Abweichung vom hydrodynamischen Verhalten zu verstehen, um eine robuste und wiederholbare Zündung zu erreichen.“

Natur Physik2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01809-3 (Über DOIs).