Kernfysica gaat meestal gepaard met hoge energieën, zoals geïllustreerd door experimenten om gecontroleerde kernfusie onder de knie te krijgen. Een van de problemen is hoe de sterke elektrische afstoting tussen atoomkernen te overwinnen, die hoge energieën vereist om ze te laten samensmelten. Maar fusie zou kunnen worden gestart bij lagere energieën met elektromagnetische velden die worden gegenereerd, bijvoorbeeld, door ultramoderne vrije-elektronenlasers die röntgenlicht uitstralen. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) beschrijven hoe dit zou kunnen in het tijdschrift Fysieke beoordeling C .

Tijdens kernfusie fuseren twee atoomkernen tot één nieuwe kern. In het lab kan dit met deeltjesversnellers, wanneer onderzoekers fusiereacties gebruiken om snelle vrije neutronen te maken voor andere experimenten. Op veel grotere schaal, het idee is om gecontroleerde fusie van lichte kernen te implementeren om energie op te wekken - met de zon als model:zijn energie is het product van een reeks fusiereacties die in het binnenste plaatsvinden.

Voor vele jaren, wetenschappers hebben gewerkt aan strategieën voor het opwekken van energie uit fusie-energie. "Aan de ene kant kijken we naar een praktisch onbeperkte krachtbron. Aan de andere kant, er zijn al de vele technologische hindernissen die we willen helpen overwinnen door ons werk, " zegt professor Ralf Schützhold, Directeur van de afdeling Theoretische Fysica van HZDR, beschrijft de motivatie voor zijn onderzoek.

Tunnelen op hoog niveau, binnenkort bereikbaar

Om kernfusie op gang te brengen, je moet eerst de sterke elektrische afstoting tussen de identiek geladen atoomkernen overwinnen. Dit vereist meestal hoge energieën. Maar er is een andere manier, legt de co-auteur van de studie uit, Dr. Friedemann Queißer:"Als er niet genoeg energie beschikbaar is, fusie kan worden bereikt door tunneling. Dat is een kwantummechanisch proces. Het betekent dat u kunt slagen (d.w.z. tunnel) door de energiebarrière veroorzaakt door nucleaire afstoting bij lagere energieën."

Dit is geen theoretische constructie; het gebeurt echt:de temperatuur- en drukomstandigheden in de kern van de zon zijn niet voldoende om de energiebarrière direct te overwinnen en waterstofkernen te laten samensmelten. Maar fusie gebeurt niettemin omdat de heersende omstandigheden de fusiereactie mogelijk maken dankzij een voldoende groot aantal tunnelingprocessen.

In hun huidige werk de HZDR-wetenschappers onderzoeken of gecontroleerde fusie kan worden gefaciliteerd met behulp van tunnelingprocessen met behulp van straling. Maar dat is ook een kwestie van energie:hoe lager het is, hoe kleiner de kans op tunneling. Tot nu toe, conventionele laserstralingsintensiteit was te laag om de processen te activeren.

XFEL en elektronenstralen om fusiereacties te ondersteunen

Dit zou in de nabije toekomst allemaal kunnen veranderen:met röntgenvrije elektronenlasers (XFEL) is het al mogelijk om vermogensdichtheden van 10^20 watt per vierkante centimeter te bereiken. Dit is het equivalent van ongeveer duizend keer de energie van de zon die de aarde raakt, geconcentreerd op het oppervlak van een munt van één cent. "We gaan nu naar gebieden die de mogelijkheid suggereren om deze tunnelprocessen te ondersteunen met krachtige röntgenlasers, ", zegt Schutzhold.

Het idee is dat het sterke elektrische veld dat de afstoting van de kernen veroorzaakt, wordt gesuperponeerd met een zwakker, maar snel veranderen, elektromagnetisch veld dat kan worden opgewekt met behulp van een XFEL. De onderzoekers van Dresden onderzochten het proces theoretisch voor de fusie van de waterstofisotopen deuterium en tritium. Deze reactie wordt momenteel beschouwd als een van de meest veelbelovende kandidaten voor toekomstige fusiecentrales. De resultaten laten zien dat het mogelijk moet zijn om op deze manier de tunnelsnelheid te verhogen; een voldoende groot aantal tunnelingprocessen zou uiteindelijk een succesvolle, gecontroleerde fusiereactie.

Vandaag, slechts een handvol lasersystemen over de hele wereld met het vereiste potentieel zijn de vlaggenschepen van grootschalige onderzoeksfaciliteiten, zoals die in Japan en de Verenigde Staten - en in Duitsland, waar 's werelds sterkste laser in zijn soort, de Europese XFEL, is te vinden in de omgeving van Hamburg. Bij de Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) daar gevestigd, experimenten met unieke ultrakorte en extreem heldere röntgenflitsen zijn gepland. HZDR is momenteel bezig met de bouw van HIBEF.

De volgende stap van de sterke veldfysici uit Dresden is om nog dieper in de theorie te duiken om andere fusiereacties beter te begrijpen en hun potentieel voor het assisteren van tunnelprocessen met straling te kunnen beoordelen. Analoge processen zijn al waargenomen in laboratoriumsystemen, zoals kwantumdots in de vastestoffysica of Bose-Einstein-condensaten, maar voor kernfusie is experimenteel bewijs nog in behandeling. Nog verder vooruit denken, de auteurs van de studie geloven dat andere stralingsbronnen mogelijk kunnen helpen bij tunnelprocessen. De eerste theoretische resultaten over elektronenbundels zijn al verkregen.