Forskare vid Sandia National Laboratories Z Machine har öppnat ett nytt kapitel i sin 20-åriga resa mot högre fusionseffekter genom att introducera tritium, den mest neutronbelastade isotopen av väte, till sina måls bränsle.

När Z avfyras, dess enorma elektromagnetiska fält krossar förvärmt bränsle, tvingar den att smälta ihop. Tritiumberikat bränsle borde frigöra många fler neutroner än tidigare maxvärden vid Z, redan bland de högsta i världen.

"Det här med att skapa energi där ingen existerade tidigare - vi har ännu inte en brasa, men vi sprutar förrätt på grillen, sa Mike Cuneo, senior chef för Sandias Pulsed Power Accelerator Science and Technology-grupp.

Utdata från Z har använts under decennier för att tillhandahålla information för datorsimuleringar som testar beredskapen hos Amerikas kärnkraftslager utan att explodera ett verkligt vapen. Det används också av astrofysiker som använder maskinens tillfälligt häpnadsväckande tryck och temperaturer för att förstå förhållandena i stjärnor och planeternas kärnor. Och vissa hoppas att det tryck som främst skapas av elektricitet och magnetism en dag kan nå kärnfusionsförhållanden som är lämpliga för energiproduktion; detta tillstånd kallas "hög avkastning".

Införandet av tritium är av stort tekniskt intresse eftersom en 50/50-blandning av tritium och deuterium - de två isotoper av väte - släpper ut 80 gånger fler neutroner, och 500 gånger mer energi, än enbart deuterium. Energi från deuterium - på ett sätt att säga, ett relativt lågoktanigt bränsle – har varit den övre gränsen för produktionen vid Z.

Men det är fortfarande tidiga dagar. En torrkörning i juli, testa inneslutningshårdvara och instrumentering, föregick Z:s första tritiumexperiment tre veckor senare, när en bråkdel av en procent försiktigt infördes i experimentets bränsle.

"Vi ska krypa innan vi går och springer, " sa Cuneo. "Vi kommer gradvis att öka den andelen i inneslutna experiment allt eftersom."

Endast två andra avdelningar för energistöd, forskningsplatser med hög energidensitet, vid Lawrence Livermore National Laboratory och Laboratory for Laser Energetics vid University of Rochester, hade godkänts för att använda tritium, en potentiell miljöfara.

Sandia-experimenten använder elektromagnetik för att krossa Z:s mer massiva mål och hela dess målstödsområde som om de träffades av en slägga. Till skillnad från laseranläggningarna, Z-kammaren måste gå in av personal efter varje experiment för att renovera anläggningen för nästa experiment. Under dessa förhållanden, att införa tritium i målet kräver extrem omsorg och eftertänksamhet i designen, transport och inneslutning av tritium för att uppfylla rigorösa säkerhetsstandarder.

"Tritium är som sand på stranden, det kommer in i allt, sade Cuneo. Så för nu, vi kan inte släppa den någonstans." Isotopen är en liten molekyl med mycket rörlighet, och det första stora hindret, han säger, är att se till att det radioaktiva materialet med sin 12-åriga halveringstid inte vandrar till de miljontals pooler av vatten och olja som isolerar Z:s pulserande kraftkomponenter. "Laseranläggningar har inte dessa pooler, " påpekade han.

Tritium kan också binda till metallväggarna i Z:s centrala område, utgör en potentiell radioaktiv fara där tekniker går in dagligen för att skrubba efter varje skott.

Dock, använder samma unika design som har innehållit plutonium på mer än ett dussin tidigare Z-skott, inget tritium frigjordes.

Nästan 100 Sandia-personal bidrog direkt till insatsen, finansieras genom Sandias Laboratory Directed Research and Development-program. Även forskare från General Atomics deltog, Los Alamos National Laboratory, University of New Mexico och Utah State University.

Framtida arbete kommer att finansieras av National Nuclear Security Administration (NNSA).

"Det fanns en hög nivå av integration på anläggningsinneslutning och strålskydd, att göra det rätt, sa Brent Jones, ledning för anläggningsintegration. "Gasöverföringsgruppen Sandia-Kalifornien, med årtionden av erfarenhet av att hantera tritium, utvecklat en metod för boende, leverera och innehålla materialet. De byggde en enhet som kunde ladda en liten men definierad mängd tritium; neutrongeneratorerna fyllde målet med tritium; och plutoniuminneslutningsfolket bidrog med sin skottexpertis."

Teamet måste nu utvärdera om tritium kan användas säkert i fria experiment, deras slutmål. Instängda tester kan utvärdera tritiums kompatibilitet med Z:s material och tryck, men mät inte fusionseffekter exakt.

"Användningen av innehållet tritium på Z är det första steget på denna resa, " sa Cuneo. "Det finns mycket mer att göra.

"I likhet med vad som görs vid laser [fusion] anläggningar, en idé [för ett fritt experiment] är att rensa tritium omedelbart efter ett skott så att det inte fastnar på väggarna i Z-kammaren. Vi måste effektivt kunna rensa tillbaka mittsektionen till en säker nivå innan tekniker går in för att renovera den."

Fria experiment kommer att börja med mycket små nivåer av tritium och gradvis öka under en flera år lång process. "Vi hoppas hitta att vi säkert kommer att kunna hantera 1-3 procent tritium i fria experiment, tillräckligt för att främja tröghetsinneslutning Fusion-applikationer, andra vapenvetenskapliga tillämpningar och neutroneffekttestning, sa Cuneo.

Det kommer att dröja minst tre år innan experiment närmar sig 50/50-blandningen av tritium och deuterium, beroende på finansiering och Sandia och NNSA prioriteringar för Z.