Een relatief nieuwe methode om kernfusie te beheersen, die een enorme schok van elektriciteit combineert met sterke magnetische velden en een krachtige laserstraal, heeft zijn eigen recordoutput van neutronen bereikt - een belangrijke standaard waarmee fusie-inspanningen worden beoordeeld - bij Sandia National Laboratories' Z pulsed stroomvoorziening, de krachtigste producent van röntgenstralen op aarde.

de prestatie, van een project genaamd MagLIF, voor gemagnetiseerde traagheidsfusie van voeringen, werd gerapporteerd in een paper gepubliceerd op 9 oktober in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"De output in neutronen is de afgelopen twee jaar met meer dan een orde van grootte toegenomen, " zei Sandia-natuurkundige en hoofdonderzoeker Matt Gomez. "We zijn niet alleen blij dat de verbeteringen die we hebben doorgevoerd tot deze toename van de output hebben geleid, maar dat de toename nauwkeurig werd voorspeld door de theorie."

De productie van MagLIF-neutronen nam toe tot 10 tot de 13e met behulp van deuteriumbrandstof (10 tot de 15e zou de honderdvoudige toename van de output vertegenwoordigen die algemeen wordt aanvaard door wetenschappers, als een gelijk mengsel van deuterium en tritium, DT, was gebruikt) en de gemiddelde ionentemperatuur verdubbelde. Dit werd bereikt door een gelijktijdige toename van 50 procent van het aangelegde magnetische veld, een verdrievoudiging van de laserenergie en een toename van het opgenomen vermogen van Z van 16 naar 20 mega-ampère, zei Gomez.

"De output was slechts 2 kilojoule DT, relatief weinig energie, " zei hij. Een kilojoule wordt gedefinieerd als de warmte-energie die wordt gedissipeerd door een stroom van 1, 000 ampère die gedurende één seconde door een weerstand van 1 ohm gaat. "Maar op basis van de experimenten die we tot nu toe hebben gedaan, die een verbetering van factor 30 laten zien in vijf jaar en simulaties die consistent zijn met die experimenten, we denken dat een opbrengst van 30 tot 50 kilojoule mogelijk is, brengt ons in de buurt van de staat die bekend staat als wetenschappelijke break-even."

De stijging van de output, voorspeld uit veranderingen in input, geeft aan dat een voorstel om een ​​machine te bouwen die nog groter is dan Z en beter is uitgerust om break-even te overschrijden, heeft nu een sterkere basis om dat verzoek te doen, zei Gomez.

"De resultaten van MagLIF hebben een enorme interesse gewekt in fusieonderzoek dat - door magnetisme te combineren, lasers en elektrische energie - omspant de plasmatoestanden tussen traditionele inertiële opsluitingsfusie, zoals de lasers in de National Ignition Facility van Lawrence Livermore National Lab, en traditionele kernfusie van magnetische opsluiting, zoals het internationale ITER-project in Zuid-Frankrijk, " zei Dan Sinars, directeur van Sandia's Pulsed Power Sciences Center. "Het succes van MagLIF heeft geleid tot nieuwe programma's en verschillende fusiestart-ups, en heeft bijgedragen aan het opbouwen van interesse in deze bredere aanpak."

Omdat prestaties en plasmacondities voorspelbaar varieerden met veranderingen in invoerparameters, Sandia fusie-experimenten manager David Ampleford zei:"We hebben extra vertrouwen dat we MagLIF kunnen schalen naar hogere stromen."

Break-even is het tussendoel

Break-even treedt op wanneer de hoeveelheid energie die in de brandstof wordt geïnvesteerd, gelijk is aan de hoeveelheid energie die wordt uitgestoten, een mijlpaal prestatie voor degenen in het veld. Wanneer er meer energie wordt uitgestoten dan nodig is om het experiment in stand te houden - een toestand die bekend staat als 'hoge opbrengst' - wordt 's werelds droom van schone energie uit zeewater, het meest toegankelijke materiaal op aarde, zal een grote stap vooruit zetten.

Zeewater bevat een variant van waterstof genaamd deuterium, die een extra neutron bevat, en tritium, die twee extra neutronen heeft. Deze extra neutronen zijn smeltbaar, wat betekent dat ze fusie-energie vrijgeven wanneer ze kunnen combineren. deuterium, gemakkelijker om mee te werken, is het huidige materiaal bij uitstek in bijna elk fusie-experiment bij Z, met de meer energetische aanwezigheid van tritium soms gesimuleerd.

Zelfs vóór het bereiken van break-even, het werk is nuttig:gegevens van steeds krachtigere fusiereacties die in supercomputers worden ingevoerd, informeren Sandia's voorraadbeheerwerk dat ervoor zorgt dat de kernwapens van het land veilig zijn, veilig en betrouwbaar.

Het verhaal van MagLIF begint met een theorie

De theorie achter Sandia's MagLIF-fusiemethode is tien jaar geleden in Sandia ontstaan ​​door een team onder leiding van theoretisch natuurkundige Steve Slutz. De methode combineert een enorme elektrische puls van Z met een laserburst die een soms ijzig deuteriumdoelwit ter grootte van een potloodgum voorverwarmt. waardoor het dichter bij een geschikte starttemperatuur komt om naar fusie te klimmen. De methode maakt vervolgens gebruik van een magnetisch veld om geladen deeltjes binnen het cilindrische werkgebied te houden, zodat ze in grotere aantallen samensmelten. Vervolgens, nog steeds op de hoogte van de theorie, kwam een ​​golf van verbeteringen, meest recent geleid door Gomez's Sandia-team.

Het team verkleinde de dikte van een doorzichtig plastic venster dat het fusiegas op kamertemperatuur tegenhield, maar ook gedeeltelijk een toegangspoort voor de laserstraal verduisterde.

aanvankelijk, het team koos conservatief een zeer dik venster om ervoor te zorgen dat het niet zou barsten voorafgaand aan het experiment en het doelwit zou ruïneren, zei Gomez. Vervolgens, het team testte rigoureus raammaterialen in verschillende diktes om de druk te identificeren waarbij elk zou bezwijken.

"We hebben vastgesteld dat we de dikte ruwweg konden halveren en toch de fusiebrandstof robuust konden bevatten, ' zei Gomez.

Het kleine raam dat verdween

De brandstof bewaard, de onderzoekers wendden zich tot computersimulaties die aantoonden hoeveel verbetering te verwachten was in de energiekoppeling van de laserstraal met het doelwit, gezien het feit dat de raamdikte was verminderd.

"De laser gaat niet door het raam zoals we traditioneel zouden denken, "Zei Gomez. "De laser is zo intens dat hij het raam ioniseert, omzetten in een plasma, opwarmen totdat het min of meer transparant wordt voor de laser. Het proces van het verwarmen van het raam tot deze extreme temperaturen is verantwoordelijk voor een behoorlijk deel van de verloren laserenergie. We hebben ongeveer de helft van de massa van het raammateriaal verwijderd, dus we hoeven niet zo veel op te warmen, zodat we minder energie verliezen.

"Onze simulaties werden vervolgens bevestigd met experimenten, ' zei Gomez.

Sandia verhoogde ook de kracht van de magnetische velden die ervoor zorgden dat geladen deeltjes het speelveld niet konden verlaten, waardoor het waarschijnlijker is dat ze zouden blijven om te communiceren en te fuseren.

Een ander probleem dat overwonnen werd, was hoe de sterkte van twee magnetische spoelen kon worden vergroot met behoud van een venster ertussen voor diagnostische toegang. zei Gomez. "Eerder, we moesten kiezen tussen een groter magnetisch veld zonder diagnostische toegang, die we niet eens wilden proberen, en een kleiner magnetisch veld met diagnostische toegang, "Zei Gomez. "We hebben nu het grotere veld en de diagnostische toegang, die we hebben bereikt door interne versterking van de spoelen."

De stabiliteit van de reacties blijft een probleem naarmate de krachtige operationele krachten toenemen. De fusie-implosie, opgeschrikt door verhoogde input, kan uitmonden in het niets. Maar simulaties tonen aan dat een hogere druk in het brandstofgebied zou moeten werken om te stabiliseren tegen verhoogde inkomende krachten.

Break-even is nog twee ordes van grootte verwijderd, maar simulaties die onze experimentele trends vastleggen, geven aan dat een andere orde van grootte verhoging van de opbrengst mogelijk is met extra verhogingen van invoerparameters, ' zei Gomez.

Hij noemt meer brandstof, krachtigere laseruitbarstingen, magnetische velden en elektrische pulsen als controleerbare factoren die leiden tot hogere outputs die hij onvermijdelijk acht.