Een internationaal team van wetenschappers heeft een nieuwe methode ontdekt om de ontwikkeling van fusie-energie te bevorderen door een beter begrip van de eigenschappen van warme dichte materie, een extreme toestand van materie die lijkt op die in het hart van reuzenplaneten zoals Jupiter.

De bevindingen, geleid door Sophia Malko van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), beschrijven een nieuwe techniek om de "stopkracht" van nucleaire deeltjes in plasma te meten met behulp van ultra-intense lasers met hoge herhalingssnelheid. Het begrip van de remkracht van protonen is vooral belangrijk voor traagheidsopsluitingsfusie (ICF).

De zon en de sterren van stroom voorzien

Dit proces staat in contrast met het ontstaan ​​van fusie bij PPPL, dat plasma verwarmt tot een temperatuur van miljoenen graden in magnetische opsluitingsfaciliteiten. Plasma, de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, of ionen, voedt fusiereacties in beide soorten onderzoek, die erop gericht zijn om op aarde de fusie te reproduceren die de zon en de sterren aandrijft als een bron van veilige, schone en vrijwel onbeperkte energie om 's werelds elektriciteit op te wekken.

"Stopkracht" is een kracht die inwerkt op geladen deeltjes als gevolg van botsingen met elektronen in de materie die leiden tot energieverlies. "Als je bijvoorbeeld de protonstopkracht niet kent, kun je de hoeveelheid energie die in het plasma wordt afgezet niet berekenen en daarom lasers ontwerpen met het juiste energieniveau om fusie-ontsteking te creëren", zegt Malko, hoofdauteur van een paper dat schetst de bevindingen in Nature Communications . "Theoretische beschrijvingen van de remkracht in materie met hoge energiedichtheid en vooral in warme, dichte materie zijn moeilijk, en metingen ontbreken grotendeels", zei ze. "Ons artikel vergelijkt experimentele gegevens over het verlies van protonenenergie in warme, dichte materie met theoretische modellen van stopkracht."

De Natuurcommunicatie onderzoek onderzocht de remkracht van protonen in een grotendeels onontgonnen regime door gebruik te maken van ionenbundels met lage energie en door laser geproduceerde warme, dichte plasma's. Om de ionen met lage energie te produceren, gebruikten onderzoekers een speciaal op magneten gebaseerd apparaat dat het vaste energiesysteem met lage energie selecteert uit een breed protonenspectrum dat wordt gegenereerd door de interactie van lasers en plasma. De geselecteerde bundel gaat vervolgens door lasergestuurde warme dichte materie en het energieverlies wordt gemeten. Theoretische vergelijking met experimentele gegevens toonde aan dat de dichtste overeenkomst het sterk oneens was met klassieke modellen.

In plaats daarvan kwam de beste overeenkomst van recent ontwikkelde eerste-principesimulaties op basis van een veel-lichaams- of interactie-kwantummechanische benadering, zei Malko.

Precieze stopmetingen

Nauwkeurige stopmetingen kunnen ook het begrip vergroten van hoe protonen produceren wat bekend staat als snelle ontsteking, een geavanceerd schema van traagheidsopsluiting. "Bij een door protonen aangedreven snelle ontsteking, waarbij protonen gecomprimeerde brandstof van zeer lage temperatuur naar hoge temperatuur moeten verwarmen, zijn de protonstopkracht en de materiële toestand nauw met elkaar verbonden," zei Malko.

"De remkracht hangt af van de dichtheid en temperatuur van de materiële toestand", legde ze uit, en beide worden op hun beurt beïnvloed door de energie die door de protonenstraal wordt afgezet. "Dus onzekerheden in de remkracht leiden direct tot onzekerheden in de totale protonenenergie en laserenergie die nodig zijn voor ontsteking," zei ze.

Malko en haar team voeren nieuwe experimenten uit in de DOE LaserNetUS-faciliteiten van de Colorado State University om hun metingen uit te breiden naar het zogenaamde Bragg-piekgebied, waar het maximale energieverlies optreedt en waar theoretische voorspellingen het meest onzeker zijn.

Co-auteurs van dit artikel waren 27 onderzoekers uit de VS, Spanje, Frankrijk, Duitsland, Canada en Italië. + Verder verkennen

Ontdekking van een nieuwe manier om de energie die de zon en de sterren aandrijven naar de aarde te brengen