Ett internationellt team av forskare har avslöjat en ny metod för att främja utvecklingen av fusionsenergi genom ökad förståelse för egenskaperna hos varm tät materia, ett extremt tillstånd av materia som liknar det som finns i hjärtat av jätteplaneter som Jupiter.

Fynden, ledda av Sophia Malko från US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), beskriver en ny teknik för att mäta "stoppkraften" hos kärnpartiklar i plasma med hjälp av ultraintensiva lasrar med hög repetitionshastighet. Förståelsen av protonstoppkraft är särskilt viktig för tröghetsinneslutningsfusion (ICF).

Styr solen och stjärnorna

Denna process står i kontrast till skapandet av fusion vid PPPL, som värmer plasma till miljoner graders temperaturer i magnetiska inneslutningsanläggningar. Plasma, det heta, laddade tillståndet hos materia som består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner, ger bränsle till fusionsreaktioner i båda typerna av forskning, som syftar till att på jorden reproducera den fusion som driver solen och stjärnorna som en källa till säker, ren och praktiskt taget obegränsad energi för att generera världens elektricitet.

"Stoppkraft" är en kraft som verkar på laddade partiklar på grund av kollisioner med elektroner i materien som resulterar i energiförlust. "Om du till exempel inte känner till protonens stoppkraft kan du inte beräkna mängden energi som deponeras i plasman och därför designa lasrar med rätt energinivå för att skapa fusionständning", säger Malko, huvudförfattare till en artikel som beskriver resultaten i Nature Communications . "Teoretiska beskrivningar av stoppkraften i materia med hög energitäthet och särskilt i varm tät materia är svåra, och mätningar saknas till stor del," sa hon. "Vår uppsats jämför experimentella data om förlusten av protonenergi i varm tät materia med teoretiska modeller för stoppkraft."

Nature Communications forskning undersökte protonstoppkraft i en till stor del outforskad regim genom att använda lågenergijonstrålar och laserproducerade varma täta plasma. För att producera lågenergijonerna använde forskarna en speciell magnetbaserad enhet som väljer lågenergisystemet med fast energi från ett brett protonspektrum som genereras av interaktionen mellan lasrar och plasma. Den valda strålen passerar sedan genom laserdrivet varmt tätt material och dess energiförlust mäts. Teoretisk jämförelse med experimentella data visade att den närmaste matchen stämmer inte överens med klassiska modeller.

Istället kom den närmaste överenskommelsen från nyligen utvecklade simuleringar av första principen baserade på ett kvantmekaniskt tillvägagångssätt med många kroppar eller interagerande, sa Malko.

Exakta stoppmått

Exakta stoppmätningar kan också öka förståelsen för hur protoner producerar vad som kallas snabb ignition, ett avancerat schema för tröghetsinneslutningsfusion. "I protondriven snabb antändning, där protoner måste värma upp komprimerat bränsle från mycket låga temperaturer till hög temperatur, är protonens stoppkraft och materialtillstånd tätt kopplade", sa Malko.

"Stoppkraften beror på densiteten och temperaturen i materialtillståndet", förklarade hon, och båda påverkas i sin tur av energin som avsätts av protonstrålen. "Således leder osäkerheter i stoppkraften direkt till osäkerheter i den totala protonenergin och laserenergin som behövs för antändning", sa hon.

Malko och hennes team utför nya experiment vid DOE LaserNetUS-anläggningarna vid Colorado State University för att utöka sina mätningar till den så kallade Bragg-toppregionen, där den maximala energiförlusten inträffar och där teoretiska förutsägelser är mest osäkra.

Medförfattare till denna artikel inkluderade 27 forskare från USA, Spanien, Frankrike, Tyskland, Kanada och Italien. + Utforska vidare

Upptäcker ett nytt sätt att föra energin som driver solen och stjärnorna till jorden