Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben belangrijke nieuwe details ontdekt over fusiefaciliteiten die lasers gebruiken om de brandstof samen te persen die fusie-energie produceert. De nieuwe gegevens kunnen helpen bij het verbeteren van het ontwerp van toekomstige laserfaciliteiten die gebruikmaken van het fusieproces dat de zon en de sterren aandrijft.

Fusie combineert lichte elementen in de vorm van plasma - de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Belangrijke experimentele faciliteiten omvatten tokamaks, de magnetische fusie-apparaten die PPPL bestudeert; stellarators, de magnetische fusiemachines die PPPL ook bestudeert en die recentelijk meer verspreid zijn over de hele wereld; en laserapparaten die worden gebruikt in zogenaamde inertiële opsluitingsexperimenten.

De onderzoekers onderzochten de impact van het toevoegen van wolfraammetaal, dat wordt gebruikt om snijgereedschappen en lampfilamenten te maken, aan de buitenste laag van plasmabrandstofpellets in onderzoek naar inertiële opsluiting. Ze ontdekten dat wolfraam de prestaties verhoogt van de implosies die fusiereacties in de pellets veroorzaken. Het wolfraam helpt de warmte te blokkeren die de temperatuur in het midden van de pellet voortijdig zou verhogen.

Het onderzoeksteam bevestigde de bevindingen door metingen te doen met kryptongas, soms gebruikt in fluorescentielampen. Eenmaal aan de brandstof toegevoegd, straalde het gas hoogenergetisch licht uit dat bekend staat als röntgenstralen en dat werd opgevangen door een instrument dat een röntgenspectrometer met hoge resolutie wordt genoemd. De röntgenfoto's gaven aanwijzingen over wat er in de capsule gebeurde.

"Ik was verheugd om te zien dat we deze ongekende metingen konden doen met behulp van de techniek die we de afgelopen jaren hebben ontwikkeld. Deze informatie helpt ons de implosie van de pellet te evalueren en helpt onderzoekers hun computersimulaties te kalibreren", zegt PPPL-natuurkundige Lan Gao, hoofdauteur van de paper die de resultaten rapporteert in Physical Review Letters . "Betere simulaties en theoretisch begrip in het algemeen kunnen onderzoekers helpen bij het ontwerpen van betere toekomstige experimenten."

De wetenschappers voerden de experimenten uit in de National Ignition Facility (NIF), een DOE-gebruikersfaciliteit in het Lawrence Livermore National Laboratory. De faciliteit schijnt 192 lasers op een gouden cilinder, of hohlraum, die één centimeter hoog is en de brandstof omhult. De laserstralen verwarmen de hohlraum, die röntgenstralen gelijkmatig op de brandstofpellet binnenin uitstraalt.

"Het is als een röntgenbad", zegt PPPL-natuurkundige Brian Kraus, die heeft bijgedragen aan het onderzoek. "Daarom is het goed om een ​​hohlraum te gebruiken. Je zou lasers rechtstreeks op de brandstofpellet kunnen schijnen, maar het is moeilijk om een ​​gelijkmatige dekking te krijgen."

Onderzoekers willen begrijpen hoe de pellet wordt gecomprimeerd, zodat ze toekomstige faciliteiten kunnen ontwerpen om de verwarming efficiënter te maken. Maar informatie krijgen over het interieur van de pellet is moeilijk. "Omdat het materiaal erg dicht is, kan er bijna niets uit komen", zei Kraus. "We willen de binnenkant meten, maar het is moeilijk om iets te vinden dat door de schaal van de brandstofpellet kan."

"De resultaten gepresenteerd in Lan's paper zijn van groot belang voor traagheidsfusie en verschaften een nieuwe methode voor het karakteriseren van brandende plasma's", zegt Phil Efthimion, hoofd van de Plasma Science &Technology Department bij PPPL en leider van de samenwerking met NIF.

De onderzoekers gebruikten een door PPPL ontworpen röntgenspectrometer met hoge resolutie om de uitgestraalde röntgenstralen met meer detail te verzamelen en te meten dan eerder was gemeten. Door te analyseren hoe de röntgenstralen elke 25 biljoenste van een seconde veranderden, kon het team volgen hoe het plasma in de loop van de tijd veranderde.

"Op basis van die informatie konden we de grootte en dichtheid van de pelletkern nauwkeuriger inschatten dan voorheen, wat ons helpt de efficiëntie van het fusieproces te bepalen," zei Gao. "We hebben direct bewijs geleverd dat het toevoegen van wolfraam zowel de dichtheid als de temperatuur verhoogt en dus de druk in de gecomprimeerde pellet. Als gevolg hiervan neemt de fusieopbrengst toe."

"We kijken ernaar uit om samen te werken met theoretische, computationele en experimentele teams om dit onderzoek verder te brengen", zei ze. + Verder verkennen

PPPL-wetenschappers leveren nieuwe diagnose met hoge resolutie aan nationale laserfaciliteit