Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har avslöjat viktiga nya detaljer om fusionsanläggningar som använder lasrar för att komprimera bränslet som producerar fusionsenergi. De nya uppgifterna kan hjälpa till att leda till en förbättrad design av framtida laseranläggningar som utnyttjar fusionsprocessen som driver solen och stjärnorna.

Fusion kombinerar lätta element i form av plasma - det heta, laddade tillståndet av materia som består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet.

Viktiga experimentanläggningar inkluderar tokamaks, de magnetiska fusionsanordningar som PPPL studerar; stellaratorer, de magnetiska fusionsmaskiner som PPPL också studerar och som nyligen har blivit mer utbredda runt om i världen; och laseranordningar som används i vad som kallas tröghetsexperiment.

Forskarna undersökte effekterna av att lägga till volframmetall, som används för att göra skärverktyg och lampfilament, till det yttre lagret av plasmabränslepellets i forskning om tröghetsinneslutning. De fann att volfram ökar prestandan för de implosioner som orsakar fusionsreaktioner i pellets. Volframet hjälper till att blockera värme som skulle höja temperaturen i mitten av pelleten i förtid.

Forskargruppen bekräftade fynden genom att göra mätningar med kryptongas, som ibland används i lysrör. När gasen väl tillsattes bränslet avgav den högenergiljus, känt som röntgenstrålar, som fångades av ett instrument som kallas en högupplöst röntgenspektrometer. Röntgenbilderna förmedlade ledtrådar om vad som hände inuti kapseln.

"Jag var glad över att se att vi kunde göra dessa oöverträffade mätningar med den teknik vi har utvecklat de senaste åren. Den här informationen hjälper oss att utvärdera pelletens implosion och hjälper forskare att kalibrera sina datorsimuleringar", säger PPPL-fysikern Lan Gao, huvudförfattare. av tidningen som rapporterar resultaten i Physical Review Letters . "Bättre simuleringar och teoretisk förståelse i allmänhet kan hjälpa forskare att utforma bättre framtida experiment."

Forskarna utförde experimenten vid National Ignition Facility (NIF), en DOE-användaranläggning vid Lawrence Livermore National Laboratory. Anläggningen lyser 192 lasrar på en guldcylinder, eller hohlraum, som är en centimeter hög och omsluter bränslet. Laserstrålarna värmer upp hohlraumen, som strålar ut röntgenstrålar jämnt på bränslepelleten inuti.

"Det är som ett röntgenbad", säger PPPL-fysikern Brian Kraus, som bidragit till forskningen. "Det är därför det är bra att använda en hohlraum. Du kan lysa laser direkt på bränslepelletsen, men det är svårt att få jämn täckning."

Forskare vill förstå hur pelletsen komprimeras så att de kan designa framtida anläggningar för att effektivisera uppvärmningen. Men att få information om pelletens inre är svårt. "Eftersom materialet är väldigt tätt kan nästan ingenting komma ut," sa Kraus. "Vi vill mäta insidan, men det är svårt att hitta något som kan gå igenom bränslepellets skal."

"Resultaten som presenteras i Lans artikel är av stor betydelse för tröghetsfusion och gav en ny metod att karakterisera brinnande plasma", säger Phil Efthimion, chef för Plasma Science &Technology Department vid PPPL och ledare för samarbetet med NIF.

Forskarna använde en PPPL-designad högupplöst röntgenspektrometer för att samla in och mäta de utstrålade röntgenstrålarna med mer detaljer än vad som uppmätts tidigare. Genom att analysera hur röntgenstrålningen förändrades var 25:e biljondels sekund kunde teamet spåra hur plasman förändrades över tiden.

"Baserat på den informationen kunde vi uppskatta storleken och densiteten på pelletskärnan mer exakt än tidigare, vilket hjälper oss att bestämma effektiviteten av fusionsprocessen," sa Gao. "Vi gav direkta bevis för att tillsats av volfram ökar både densiteten och temperaturen och därför trycket i den komprimerade pelleten. Som ett resultat ökar smältutbytet."

"Vi ser fram emot att samarbeta med teoretiska, beräkningsmässiga och experimentella team för att ta denna forskning vidare," sa hon. + Utforska vidare

PPPL-forskare levererar ny högupplöst diagnostik till nationella laseranläggningar