Onderzoekers van Sandia National Laboratories Z Machine hebben een nieuw hoofdstuk geopend in hun 20-jarige reis naar hogere fusie-output door tritium, de meest met neutronen beladen isotoop van waterstof, aan de brandstof van hun doelwitten.

Wanneer Z vuurt, zijn enorme elektromagnetische veld verplettert voorverwarmde brandstof, dwingen om te fuseren. Met tritium verrijkte brandstof zou veel meer neutronen moeten vrijgeven dan eerdere maxima op Z, al tot de hoogste ter wereld.

"Dit ding over het creëren van energie waar er voorheen geen was - we hebben nog geen vreugdevuur, maar we spuiten starter op de grill, " zei Mike Cuneo, senior manager van Sandia's Pulsed Power Accelerator Science and Technology-groep.

De output van Z is decennialang gebruikt om informatie te verschaffen voor computersimulaties die de gereedheid van de Amerikaanse nucleaire voorraad testen zonder een echt wapen te laten exploderen. Het wordt ook gebruikt door astrofysici die de tijdelijk verbazingwekkende drukken en temperaturen van de machine gebruiken om de omstandigheden in sterren en de kernen van planeten te begrijpen. En sommigen hopen dat de druk die voornamelijk wordt veroorzaakt door elektriciteit en magnetisme op een dag kernfusiecondities zal bereiken die geschikt zijn voor energieproductie; deze toestand wordt "hoge opbrengst" genoemd.

De introductie van tritium is technisch van groot belang omdat een 50/50 mix van tritium en deuterium - de twee isotopen van waterstof - 80 keer meer neutronen uitstraalt, en 500 keer meer energie, dan alleen deuterium. Energie uit deuterium - bij wijze van spreken, een brandstof met een relatief laag octaangehalte - is de bovengrens voor de output bij Z.

Maar het is nog vroeg. Een droge run in juli, het testen van insluitingshardware en -instrumentatie, ging drie weken later aan Z's eerste tritium-experiment vooraf, toen een fractie van een procent voorzichtig in de brandstof van het experiment werd geïntroduceerd.

"We gaan kruipen voordat we lopen en rennen, "zei Cuneo. "We zullen die fractie geleidelijk verhogen in ingeperkte experimenten als we gaan."

Slechts twee andere door het ministerie van Energie ondersteunde, onderzoekslocaties met hoge energiedichtheid, aan het Lawrence Livermore National Laboratory en het Laboratory for Laser Energetics aan de Universiteit van Rochester, was goedgekeurd om tritium te gebruiken, een potentieel gevaar voor het milieu.

De Sandia-experimenten gebruiken elektromagnetische straling om het massievere doelwit van Z en het volledige ondersteuningsgebied van het doelwit te verpletteren alsof ze werden geraakt door een voorhamer. In tegenstelling tot de laserfaciliteiten, de Z-kamer moet na elk experiment door personeel worden betreden om de faciliteit op te knappen voor het volgende experiment. Onder die omstandigheden, het introduceren van tritium in het doel vereist uiterste zorg en vooruitdenken bij het ontwerp, transport en insluiting van tritium om te voldoen aan strenge veiligheidsnormen.

"Tritium is als zand op het strand, het zit overal in, "zei Cuneo. "Dus voor nu, we kunnen het nergens heen." De isotoop is een klein molecuul met veel mobiliteit, en de eerste grote hindernis, hij zegt, is ervoor te zorgen dat het radioactieve materiaal met zijn halfwaardetijd van 12 jaar niet migreert naar de miljoenen liters water en olie die de gepulseerde stroomcomponenten van Z isoleren. "Laserfaciliteiten hebben deze zwembaden niet, " hij wees erop.

Tritium kan zich ook hechten aan de metalen wanden van het centrale gebied van Z, met een potentieel radioactief gevaar waar technici dagelijks binnenkomen om na elk schot te schrobben.

Echter, met hetzelfde unieke ontwerp dat plutonium bevatte op meer dan een dozijn eerdere Z-opnames, geen tritium werd vrijgegeven.

Bijna 100 Sandia-medewerkers droegen rechtstreeks bij aan de inspanning, gefinancierd door Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma. Ook namen onderzoekers van General Atomics, Los Alamos Nationaal Laboratorium, de Universiteit van New Mexico en de Utah State University.

Toekomstig werk zal worden gefinancierd door de National Nuclear Security Administration (NNSA).

"Er was een hoge mate van integratie op het gebied van insluiting van faciliteiten en stralingsbescherming, om het goed te doen, " zei Brent Jones, facilitaire integratie leiden. "De Sandia-Californië gastransfergroep, met tientallen jaren ervaring met tritium, een huisvestingsmethode ontwikkeld, leveren en bevatten van het materiaal. Ze bouwden een apparaat dat een kleine maar gedefinieerde hoeveelheid tritium kon laden; de mensen van de neutronengenerator vulden het doelwit met tritium; en de plutoniumopsluitingsmensen droegen hun schotexpertise bij."

Het team moet nu evalueren of tritium veilig kan worden gebruikt in niet-ingeperkte experimenten, hun uiteindelijke doel. Beperkte tests kunnen de compatibiliteit van tritium met de materialen en drukken van Z evalueren, maar meet de fusie-uitgangen niet nauwkeurig.

"Het gebruik van ingeperkt tritium op Z is de eerste stap op deze reis, " zei Cuneo. "Er is nog veel meer werk te doen.

"Vergelijkbaar met wat er wordt gedaan in de laser [fusion]-faciliteiten, een idee [voor een niet-ingesloten experiment] is om het tritium onmiddellijk na een schot te zuiveren, zodat het niet aan de wanden van de Z-kamer blijft kleven. We moeten het middengedeelte efficiënt kunnen zuiveren tot een veilig niveau voordat technici binnenkomen om het op te knappen."

Onbeperkte experimenten zullen beginnen met zeer kleine niveaus van tritium en geleidelijk toenemen in een proces van meerdere jaren. "We hopen te ontdekken dat we in staat zullen zijn om 1-3 procent tritium veilig te hanteren in niet-ingeperkte experimenten, genoeg om Inertial Confinement Fusion-toepassingen vooruit te helpen, andere wapenwetenschappelijke toepassingen en testen van neutroneneffecten, ' zei Cuneo.

Het zal minstens drie jaar duren voordat experimenten de 50/50 mix van tritium en deuterium benaderen, afhankelijk van de financiering en de prioriteiten van Sandia en NNSA voor Z.