Met behulp van simulaties en berekeningen, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben voor het eerst de eigenschappen van gepolariseerde thermonucleaire fusie nauwkeurig voorspeld. Analoge berekeningen zouden kunnen worden gebruikt om enkele van de meest fundamentele vragen over de oorsprong van het heelal en de evolutie van sterren te beantwoorden.

Al decenia, nucleaire wetenschappers hebben geprobeerd de energie te benutten die wordt geproduceerd door de thermonucleaire fusie van enkele van de lichtste kernen, deuterium (D) en tritium (T), om de thermonucleaire reactoren van de toekomst van stroom te voorzien.

Bij spin-gepolariseerde DT thermonucleaire fusie - waarbij de D- en T-kernen in dezelfde richting "draaien" - zou de fusiesnelheid met maar liefst 50 procent kunnen worden verhoogd en zouden de geproduceerde geladen helium (He) -kernen efficiënter kunnen worden gefocust om op te warmen de brandstof. Dit is een van de volgende grenzen van de fusietechnologie.

Echter, de voordelen van gepolariseerde fusie hangen af ​​van het voortbestaan ​​van de polarisatie binnen het DT-plasma, en een volledig begrip van hoe de verbetering van de fusiesnelheid en initiële He-uitlijning variëren met de temperatuur en mate van polarisatie.

In het nieuwe onderzoek gepubliceerd in de editie van 21 januari van het tijdschrift Natuurcommunicatie , het LLNL-team gebruikte voor het eerst gevalideerde modellen van de interacties van neutronen en protonen (de bestanddelen van kernen) en een krachtige ab initio reactiemethode om de eigenschappen van de gepolariseerde DT thermonucleaire fusie nauwkeurig te voorspellen. Het onderzoek zorgt voor een beter begrip van de snelheid van DT-fusie in een gepolariseerd plasma.

Thermonucleaire fusie is een vorm van nucleosynthese (het proces van het maken van atoomkernen) waarbij lichtere elementen, zoals waterstof en helium, worden omgezet in zwaardere, zoals koolstof en zuurstof, en daarbij komen grote hoeveelheden energie vrij. Thermonucleaire fusie komt van nature voor in sterren, die – van geboorte tot dood – worden gevoed door nucleosynthese, en speelt ook een belangrijke rol bij het verklaren van de oorspronkelijke abundanties van elementen na de oerknal. Daarom, thermonucleaire reacties zijn van groot belang voor astrofysici die enkele van de meest fundamentele vragen over de oorsprong van het universum en de evolutie van sterren willen beantwoorden.

De kans dat twee positief geladen kernen samensmelten is extreem klein bij de stellaire energieën die vereist zijn door astrofysische modellen. Dit maakt oerknal- en stellaire nucleosynthesereacties moeilijk te repliceren en te meten in een laboratoriumomgeving en introduceert grote onzekerheden in de voorspellingen van elementaire abundanties en stellaire evolutie.

"Analoge berekeningen voor de gepolariseerde DT-fusie kunnen in de toekomst naast beschikbare experimentele gegevens worden gebruikt om de thermonucleaire reactiegegevens en het nauwkeurigheidsniveau te leveren dat nodig is om de voorspelbaarheid van astrofysica-simulaties te verbeteren, " zei LLNL-natuurkundige Sofia Quaglioni, een van de auteurs van het artikel.

Het onderzoek combineerde eerste-principebenaderingen met high-performance computing om thermonucleaire reacties in het no-core shell-model met continuüm te modelleren. De berekeningen voor de gepolariseerde DT-fusie vergden meer dan 200 Mcpu-uren op de Livermore Computing Vulcan- en Quartz-machines.