Med hjälp av simuleringar och beräkningar, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) kärnkraftsforskare har för första gången exakt förutspått egenskaperna hos polariserad termonukleär fusion. Analoga beräkningar skulle kunna användas för att svara på några av de mest grundläggande frågorna om universums ursprung och stjärnors utveckling.

I årtionden, kärnkraftsforskare har försökt utnyttja energin som produceras av termonukleär fusion av några av de lättaste kärnorna, deuterium (D) och tritium (T), för att driva framtidens termonukleära reaktorer.

Vid spinnpolariserad DT termonukleär fusion – där D- och T-kärnorna "snurrar" i samma riktning – skulle fusionshastigheten kunna ökas med så mycket 50 procent och de producerade laddade helium-(He)-kärnorna skulle kunna fokuseras mer effektivt för att värmas upp bränslet. Detta är en av fusionsteknikens nästa gränser.

Dock, fördelarna med polariserad fusion beror på överlevnaden av polarisationen i DT-plasman, och en fullständig förståelse för hur förbättringen av fusionshastigheten och den initiala He-inriktningen varierar med temperatur och grad av polarisation.

I den nya forskningen publicerad i den 21 januari upplagan av tidskriften Naturkommunikation , LLNL-teamet använde för första gången validerade modeller av interaktioner mellan neutroner och protoner (kärnornas beståndsdelar) och en kraftfull ab initio reaktionsmetod för att exakt förutsäga egenskaperna hos den polariserade DT termonukleära fusionen. Forskningen etablerar en bättre förståelse av hastigheten för DT-fusion i en polariserad plasma.

Termonukleär fusion är en typ av nukleosyntes (processen att skapa atomkärnor) där lättare grundämnen, som väte och helium, omvandlas till tyngre – som kol och syre – och frigör i processen stora mängder energi. Termonukleär fusion sker naturligt i stjärnor, som – från födsel till död – drivs av nukleosyntes, och spelar också en viktig roll för att förklara de ursprungliga överflöden av element efter Big Bang. På grund av detta, termonukleära reaktioner är av stort intresse för astrofysiker som försöker svara på några av de mest grundläggande frågorna om universums ursprung och stjärnors utveckling.

Sannolikheten för att två positivt laddade kärnor smälter samman är extremt liten vid de stjärnenergier som krävs av astrofysiska modeller. Detta gör Big Bang och stjärnors nukleosyntesreaktioner svåra att replikera och mäta i laboratoriemiljö och introducerar stora osäkerheter i förutsägelserna av elementära överflöd och stjärnutveckling.

"Analoga beräkningar till den polariserade DT-fusionen skulle kunna användas i framtiden tillsammans med tillgängliga experimentella data för att tillhandahålla termonukleär reaktionsdata och noggrannhetsnivå som krävs för att förbättra förutsägbarheten för astrofysiksimuleringar, " sa LLNL fysiker Sofia Quaglioni, en av författarna till tidningen.

Forskningen kombinerade tillvägagångssätt med de första principerna med högpresterande beräkningar för att modellera termonukleära reaktioner i skalmodellen utan kärna med kontinuum. Beräkningarna för den polariserade DT-fusionen krävde mer än 200 Mcpu-timmar på Livermore Computing Vulcan och Quartz-maskiner.