Kärnfysik involverar vanligtvis höga energier, som illustreras av experiment för att bemästra kontrollerad kärnfusion. Ett av problemen är hur man kan övervinna den starka elektriska repulsionen mellan atomkärnor som kräver höga energier för att få dem att smälta samman. Men fusion kan initieras vid lägre energier med elektromagnetiska fält som genereras, till exempel, genom state-of-the-art frielektronlasrar som sänder ut röntgenljus. Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) beskriver hur detta skulle kunna göras i tidskriften Fysisk granskning C .

Under kärnfusion smälter två atomkärnor samman till en ny kärna. I labbet kan detta göras med partikelacceleratorer, när forskare använder fusionsreaktioner för att skapa snabba fria neutroner för andra experiment. I mycket större skala, Tanken är att implementera kontrollerad fusion av lätta kärnor för att generera kraft – med solen som modell:dess energi är produkten av en serie fusionsreaktioner som äger rum i dess inre.

Under många år, forskare har arbetat med strategier för att generera kraft från fusionsenergi. "Å ena sidan tittar vi på en praktiskt taget obegränsad kraftkälla. Å andra sidan, det finns alla de många tekniska hinder som vi vill hjälpa till att övervinna genom vårt arbete, säger professor Ralf Schützhold, Direktör för institutionen för teoretisk fysik vid HZDR, beskriver motivationen för sin forskning.

Tunneldrivning på hög nivå, att vara tillgänglig snart

För att utlösa kärnfusion, du måste först övervinna den starka elektriska repulsionen mellan de identiskt laddade atomkärnorna. Detta kräver vanligtvis höga energier. Men det finns ett annat sätt, förklarar medförfattaren till studien, Dr Friedemann Queißer:"Om det inte finns tillräckligt med energi tillgänglig, fusion kan uppnås genom tunnling. Det är en kvantmekanisk process. Det betyder att du kan godkänna (dvs. tunneln) genom energibarriären orsakad av kärnkraftsrepulsion vid lägre energier."

Detta är inte någon teoretisk konstruktion; det händer verkligen:Temperatur- och tryckförhållandena i solens kärna räcker inte för att direkt övervinna energibarriären och göra det möjligt för vätekärnor att smälta samman. Men fusion sker ändå eftersom de rådande förhållandena gör att fusionsreaktionen kan upprätthållas tack vare ett tillräckligt stort antal tunnlingsprocesser.

I sitt nuvarande arbete, HZDR-forskarna undersöker om kontrollerad fusion kan underlättas med hjälp av tunnelprocesser med strålning. Men det är också en fråga om energi:ju lägre den är, desto mindre är sannolikheten för tunnling. Tills nu, konventionell laserstrålningsintensitet var för låg för att utlösa processerna.

XFEL och elektronstrålar för att underlätta fusionsreaktioner

Allt detta kan förändras inom en snar framtid:Med röntgenfria elektronlasrar (XFEL) är det redan möjligt att uppnå effekttätheter på 10^20 watt per kvadratcentimeter. Detta motsvarar ungefär tusen gånger energin från solen som träffar jorden, koncentrerad på ytan av ett encentsmynt. "Vi avancerar nu till områden som föreslår möjligheten att hjälpa dessa tunnelprocesser med starka röntgenlasrar, säger Schützhold.

Tanken är att det starka elektriska fältet som orsakar kärnans repulsion överlagras med en svagare, men snabbt förändras, elektromagnetiska fält som kan produceras med hjälp av en XFEL. Dresden-forskarna undersökte processen teoretiskt för fusionen av väteisotoperna deuterium och tritium. Denna reaktion anses för närvarande vara en av de mest lovande kandidaterna för framtida fusionskraftverk. Resultaten visar att det borde vara möjligt att öka tunnlingstakten på detta sätt; ett tillräckligt stort antal tunnlingsprocesser skulle så småningom kunna underlätta en framgångsrik, kontrollerad fusionsreaktion.

I dag, bara en handfull lasersystem runt om i världen med den erforderliga potentialen är flaggskeppen för storskaliga forskningsanläggningar, som de i Japan och USA – och i Tyskland där världens starkaste laser i sitt slag, den europeiska XFEL, finns i Hamburg-området. Vid Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) som ligger där, experiment med unika ultrakorta och extremt ljusa röntgenblixtar planeras. HZDR håller för närvarande på att bygga HIBEF.

Dresdens starka fältfysikers nästa steg är att dyka ännu djupare in i teorin för att bättre förstå andra fusionsreaktioner och kunna bedöma deras potential för att assistera tunnelprocesser med strålning. Analoga processer har redan observerats i laboratoriesystem, såsom kvantprickar i fasta tillståndets fysik eller Bose-Einstein-kondensat, men i nukleär fusion väntar fortfarande experimentella bevis. Tänker ännu längre fram, Författarna till studien tror att andra strålningskällor möjligen skulle kunna hjälpa tunnelprocesser. De första teoretiska resultaten på elektronstrålar har redan erhållits.