En relativt ny metod för att kontrollera kärnfusion som kombinerar ett massivt skott av elektricitet med starka magnetfält och en kraftfull laserstråle har uppnått sin egen rekordeffekt av neutroner - en nyckelstandard enligt vilken fusionsansträngningar bedöms - vid Sandia National Laboratories Z pulserade kraftanläggning, den mest kraftfulla producenten av röntgenstrålar på jorden.

Prestationen, från ett projekt som heter MagLIF, för magnetiserad foder tröghetsfusion, rapporterades i ett papper publicerat 9 oktober i tidningen Fysiska granskningsbrev .

"Produktionen i neutroner under de senaste två åren ökade med mer än en storleksordning, "sa Sandia -fysikern och ledande utredaren Matt Gomez." Vi är inte bara glada över att de förbättringar vi genomförde ledde till denna produktionsökning, men att ökningen förutspåddes exakt av teorin. "

MagLIF-neutronproduktionen ökade till 10 till den 13:e med hjälp av deuteriumbränsle (10 till 15:e skulle representera den hundrafaldiga effektökningen som allmänt accepteras av forskare, om en lika blandning av deuterium och tritium, DT, hade använts) och den genomsnittliga jontemperaturen fördubblades. Detta uppnåddes genom en samtidig ökning av det applicerade magnetfältet med 50 procent, en tredubbling av laserenergi och en ökning av Z:s effektingång från 16 till 20 mega-ampere, Sa Gomez.

"Effekten var bara 2 kilojoules DT, en relativt liten mängd energi, "sade han. En kilojoule definieras som värmeenergin som försvinner med en ström på 1, 000 ampere som passerar genom ett 1-ohm motstånd i en sekund. "Men baserat på de experiment som vi har gjort hittills, som visar en faktor på 30 förbättringar på fem år och simuleringar som överensstämmer med dessa experiment, vi tror att en avkastning på 30 till 50 kilojoule är möjlig, föra oss nära staten som kallas vetenskaplig break-even. "

Produktionsökningen, förutsägs från förändringar i inmatning, indikerar att ett förslag om att bygga en maskin som är ännu större än Z och bättre utrustad för att överskrida break-even, har nu en starkare grund för att göra denna begäran, sa Gomez.

"Resultat på MagLIF har väckt ett enormt intresse för fusionsforskning som - genom att kombinera magnetism, lasrar och elektrisk energi - sträcker sig över plasmatillstånden mellan traditionell tröghetsfusion, som lasrarna på Lawrence Livermore National Labs National Ignition Facility, och traditionell magnetisk inneslutningsfusion som det internationella ITER -projektet i södra Frankrike, "sa Dan Sinars, chef för Sandias Pulsed Power Sciences Center. "MagLIFs framgång har lett till nya program och flera fusion-start-ups, och har hjälpt till att skapa intresse för detta bredare tillvägagångssätt. "

Eftersom prestanda och plasmaförhållanden varierade förutsägbart med förändringar i ingångsparametrar, Sandia fusion experiment manager David Ampleford sa, "Vi har ytterligare förtroende för att vi kan skala MagLIF till högre strömmar."

Break-even är delmålet

Break-even uppstår när mängden energi som investeras i bränslet är lika med mängden energi det avger, en milstolpe prestation för dem i fältet. När mer energi släpps ut än vad som behövs för att upprätthålla experimentet - ett tillstånd som kallas "högavkastning" - världens dröm om ren energi från havsvatten, det mest tillgängliga materialet på jorden, kommer att ta ett jättekliv framåt.

Havsvatten innehåller en variant av väte som kallas deuterium, som innehåller en extra neutron, och tritium, som har två extra neutroner. Dessa extra neutroner är smältbara, vilket innebär att de släpper ut fusionsenergi när de kan kombinera. Deuterium, lättare att arbeta med, är det valda materialet i nästan varje fusionsexperiment på Z, med tritiums mer energiska närvaro ibland simulerad.

Även innan du når break-even, arbetet är användbart:Data från allt starkare fusionsreaktioner som matas in i superdatorer informerar Sandias lagringsförvaltningsarbete som säkerställer att nationens kärnvapen är säkra, säker och pålitlig.

Berättelsen om MagLIF börjar med en teori

Teorin bakom Sandias MagLIF -fusionsmetod har sitt ursprung för ett decennium sedan i Sandia av ett team som leds av teoretisk fysiker Steve Slutz. Metoden kombinerar en massiv elektrisk puls från Z med en laserburst som förvärmer ett ibland isigt penna-suddgummistorleksstort deuteriummål, föra den närmare en lämplig starttemperatur för att klättra till fusion. Metoden använder sedan ett magnetfält för att hålla laddade partiklar inom det cylindriska operationsområdet så att de smälter samman i större antal. Sedan, fortfarande informerad av teori, kom en våg av förbättringar, senast ledd av Gomez's Sandia -team.

Teamet minskade tjockleken på ett klart plastfönster som begränsade rumstemperaturfusionsgasen men också döljer delvis en ingångsport för laserstrålen.

Initialt, laget valde konservativt ett mycket tjockt fönster för att se till att det inte sprack innan experimentet och förstör målet, Sa Gomez. Senare, laget testade noggrant fönstermaterial i en mängd olika tjocklekar för att identifiera det tryck där varje skulle misslyckas.

"Vi bestämde att vi grovt kunde halvera tjockleken och fortfarande robust innehålla fusionsbränslet, "Sa Gomez.

Det lilla fönstret som försvann

Det sparade bränslet, forskarna vände sig till datasimuleringar som visade hur mycket förbättring som kan förväntas i laserstrålens energikoppling med målet, med tanke på att fönstertjockleken hade minskat.

"Lasern passerar inte genom fönstret på det sätt vi traditionellt skulle tro att det skulle, "Sa Gomez." Lasern är så intensiv att den faktiskt joniserar fönstret, omvandla den till en plasma, värma upp det tills det blir mer eller mindre transparent för lasern. Processen med att värma fönstret till dessa extrema temperaturer står för en anständig bråkdel av förlorad laserenergi. Vi tog bort ungefär hälften av fönstermaterialmassan, så vi behöver inte värma så mycket, så vi tappar mindre energi.

"Våra simuleringar bekräftades därefter med experiment, "Sa Gomez.

Sandia ökade också kraften hos de magnetfält som hindrade laddade partiklar från att lämna spelplanen, vilket gör det mer troligt att de skulle stanna för att interagera och smälta ihop.

Ett annat problem som övervinns var hur man ökar styrkan hos två magnetspolar samtidigt som man behåller ett fönster mellan dem för diagnostisk åtkomst, Sa Gomez. "Tidigare, vi behövde välja mellan ett större magnetfält utan diagnostisk åtkomst, som vi var ovilliga att ens försöka, och ett mindre magnetfält med diagnostisk åtkomst, "Gomez sa." Vi har nu det större fältet och den diagnostiska åtkomsten, vilket vi uppnådde genom intern förstärkning av spolarna. "

Reaktionernas stabilitet är fortfarande ett problem när kraftfulla driftkrafter ökar. Fusionsimplosionen, rockad av ökad input, kan snurra ut i intet. Men simuleringar visar att högre tryck i bränsleområdet bör verka för att stabilisera mot ökade inkommande krafter.

"Break-even är fortfarande två storleksordningar borta, men simuleringar som fångar våra experimentella trender indikerar att en annan storleksordning är ökad avkastning möjlig med ytterligare ökningar av ingångsparametrar, "Sa Gomez.

Han nämner mer bränsle, kraftfullare laserburst, magnetfält och elektriska pulser som kontrollerbara bidragande faktorer som leder till högre utgångar som han anser vara oundvikliga.