Biträdande professor Arijit Bose är en ny medlem av University of Delawares institution för fysik och astronomi. Han har ett anslag från Sandia National Lab för att studera tröghetsinneslutningsfusion som använder magnetiserat tryck för att producera kärnfusion. Kredit:Jeffrey C. Chase
Föreställ dig att försöka kalla solen till ditt forskningslaboratorium.
Ja, du, stora ljusa stjärna! Ta med dig din brännande hetta, dramatiken i din kärnas ständiga kärnfusion och dina energinivåer utanför diagrammet. Vi vill veta hur vi kan få denna fusionsenergi att hända här på jorden – efter behag och effektivt – så att vi kan ta bort "energiförsörjning" från vår lista med bekymmer för alltid.
Men, naturligtvis, solen kan faktiskt inte komma till labbet. Den bor för långt bort - cirka 93 miljoner miles - och den är alldeles för stor (cirka 864 000 miles i diameter). Det är också alldeles för varmt och tätare än något annat på jorden. Det är därför det kan upprätthålla reaktionerna som genererar all energi som driver livet på jorden.
Detta har naturligtvis inte avskräckt forskare från att fortsätta sin strävan efter kärnfusion.
Istället har de hittat extraordinära sätt – med hjälp av intensiva lasrar och vätebränsle – för att producera extrema förhållanden som de som finns i solens kärna, vilket producerar kärnfusion i små 1 millimeter plastkapslar. Detta tillvägagångssätt kallas "tröghetsinneslutningsfusion."
Utmaningen är att skapa ett system som genererar mer fusionsenergi än vad som krävs för att skapa det.
Detta är exceptionellt utmanande eftersom det kräver högprecisionsexperiment under extrema förhållanden, men forskare har gjort stora framsteg inom den vetenskap och teknik som krävs för att producera kontrollerad laboratoriefusion under de senaste decennierna.
Nu driver forskaren vid University of Delaware Arijit Bose och hans medarbetare en lovande variant av detta tillvägagångssätt. Deras arbete publicerades nyligen i Physical Review Letters .
De har applicerat kraftfulla magnetfält på den laserdrivna implosionen, vilket kan göra det möjligt för dem att styra fusionsreaktioner på sätt som tidigare outforskats i experiment.
Bose, en biträdande professor vid UD:s institution för fysik och astronomi, började sin studie av kärnfusion under forskarskolan vid University of Rochester.
Efter att ha besökt Laboratory for Laser Energetics i Rochester, där lasrar används för att implodera sfäriska kapslar och skapa plasma, känd som "tröghetsinneslutningsfusion", hittade han ett fokus för sin egen forskning.
"Fusion är det som driver allt på jorden," sa han. "Att ha en miniatyrsol på jorden - en millimeterstor sol - det var där fusionsreaktionen skulle hända. Och det fick mig att bli galen."
Laserdriven kärnfusionsforskning har funnits i decennier, sa Bose.
Det började på Lawrence Livermore National Lab på 1970-talet. Livermore är nu värd för det största lasersystemet i världen, storleken på tre fotbollsplaner. Fusionsforskningen som görs där använder ett indirekt tillvägagångssätt. Lasrar riktas in i en liten 100 millimeter stor burk med guld. De träffar den inre ytan av burken och producerar röntgenstrålar, som sedan träffar målet – en liten sfär gjord av fruset deuterium och tritium – och värmer upp den till temperaturer nära solens kärna.
"Ingenting kan överleva det," sa Bose. "Elektroner tas bort från atomerna och jonerna rör sig så snabbt att de kolliderar och smälter samman."
Målet imploderar inom en nanosekund - en miljarddels sekund - först drivet av lasern och fortsätter sedan att komprimera på sin egen tröghet. Slutligen expanderar den på grund av det ökande centrala trycket som orsakas av kompressionen.
"Att få en självuppvärmd fusionskedjereaktion att starta kallas antändning," sa Bose. "Vi är anmärkningsvärt nära att uppnå tändning."
Forskare vid Livermore rapporterade om imponerande nya vinster i detta försök den 8 augusti.
Rochesters OMEGA-laseranläggning är mindre och används för att testa en direktdriftsmetod. Den processen använder ingen guldburk. Istället träffar lasrar målsfären direkt.
Den nya biten är det kraftfulla magnetfältet – i det här fallet krafter upp till 50 Tesla – som används för att kontrollera de laddade partiklarna. Som jämförelse använder typisk magnetisk resonanstomografi (MRI) magneter på cirka 3 Tesla. Och magnetfältet som skyddar jorden från solvinden är många storleksordningar mindre än 50T, sa Bose.
"Du vill att kärnorna ska smälta samman," sa Bose. "De magnetiska fälten fångar de laddade partiklarna och får dem att gå runt fältlinjerna. Det hjälper till att skapa kollisioner och det hjälper till att öka fusionen. Det är därför det har fördelar att lägga till magnetiska fält för att producera fusionsenergi."
Fusion kräver extrema förhållanden, men det har uppnåtts, sa Bose. Utmaningen är att få ut mer energi än input och magnetfälten ger den push som kan göra detta tillvägagångssätt transformativt.
Experimenten publicerade i Physical Review Letters gjordes när Bose gjorde postdoktoral forskning vid MIT:s Plasma Science and Fusion Center. Det samarbetet fortsätter.
Bose sa att han drogs till University of Delaware, delvis på grund av plasmafysikfokuset vid Institutionen för fysik och astronomi, inklusive William Matthaeus, Michael Shay och Ben Maruca.
"De gör studier och analyser av data som kommer från NASAs solprogram och alla dess uppdrag," sa han. "Vi genomför laboratorieastrofysikexperiment där dessa fenomen skalas ner i rum och tid till labbet. Detta ger oss ett sätt att reda ut några av de invecklade fysikfrågorna som NASA-uppdragen ställer."
Studenter är viktiga drivkrafter för detta arbete, sa Bose, och deras karriärer kan se stora framsteg inom detta nya studieområde.
"Det är en fascinerande del av vetenskapen och studenter är en mycket viktig del av arbetskraftsutvecklingen för de nationella labben," sa han. "Studenter med erfarenhet av den här vetenskapen och tekniken slutar ofta som forskare och forskare vid de nationella labben."
Det finns mycket mer att göra, sa han.
"Vi har ingen lösning i morgon. Men det vi gör är att bidra till en lösning för ren energi." + Utforska vidare
