Grafik A visar den experimentella layouten, en kolpuck är monterad på framsidan av GCD-3, en vanlig γ-diagnostik vid ICF-anläggningar. De y-strålar som produceras i implosionen anländer först till detektorn. Senare kan neutroner som produceras i fusionen oelastiskt spridas i kolprovet för att producera y-strålar. Denna resulterande signal separeras temporärt från D-T-fusions-y-strålarna. I grafik B. Plottet visar det senaste resultatet för D-T-förgreningsförhållandet (inringat i svart) mot tidigare mätningar. Y-axeln representerar värdet för förgreningsförhållandet medan x-axeln representerar en effektiv deuteronenergi. Kredit:LLNL
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har förfinat mätningen av gamma (γ)-till-neutronförgreningsförhållandet i deuterium-tritium (D-T) fusionsreaktioner.
Denna reaktion är en livskraftig kandidat för fusionsenergi, eftersom den är känd för att ha det största tvärsnittet vid masscentrumenergier under 500 keV. Det finns olika grenar av denna reaktion. Dessa inkluderar en intensiv neutronproducerande gren och betydligt mindre intensiva γ-producerande grenar, av vilka de senare är fem storleksordningar mindre intensiva än de förra.
D-T γ-till-neutronförgreningsförhållandet är av grundläggande intresse ur ett kärn- och plasmafysikperspektiv och en mer exakt mätning kan förstärka teoretiska ansträngningar inom dessa områden. Detta förgreningsförhållande är också av intresse i experimentella ansträngningar mot kärnfusion och relaterade tillämpningar för nationell säkerhet.
Resultaten av arbetet finns med i Physical Review C , med LLNL-fysikern Justin Jeet som huvudförfattare. Arbetet innebar att analysera data från ett tidigare inertial confinement fusion (ICF)-experiment utfört 2015, vilket inte var optimerat för denna mätning.
"De tidiga stadierna av COVID-19-pandemin gav oss ledig tid att se över dessa data med målet att ge en mer exakt mätning av D-T γ-till-neutronförgreningsförhållandet," sa Jeet. "Artikeln förstärker tidigare mätningar av förgreningsförhållandet i ICF-implosioner och minskar osäkerheten för det rapporterade värdet med nästan en faktor tre."
Jeet förklarar att det är ytterst viktigt att begränsa dess värde för experimentella ansträngningar vid tröghetsinneslutning och magnetisk inneslutning.
"För tokamak-baserade kärnreaktorer som ITER är bestämning av effektförstärkningsfaktorn (Q), definierad som förhållandet mellan producerad fusionskraft och den som krävs för att upprätthålla plasman, avgörande," sa Jeet. "Q kan bestämmas noggrant genom att mäta D-T-fusion γ-utbytet tillsammans med det exakta värdet av D-T γ-till-neutronförgreningsförhållandet. Vid tröghetsinneslutningsanläggningar kan D-T-förgreningsförhållandet på liknande sätt ge absoluta avkastningsmätningar baserade på γ-stråldiagnostik ."
Deuterium-tritium γ-till-neutronförgreningsförhållandet bestäms i ett ICF-experiment genom att använda en korskalibreringsteknik som bygger på det oelastiska spridningstvärsnittet av neutroner i kol-12 ( 12 C), ett mer känt tvärsnitt. Eftersom en ICF-implosion är pulsad, med kärnkraftsproduktion som sker över ≈100 pikosekunder (ps), kommer DT-fusions-y-strålarna först till en γ-detektor, Gas Cherenkov-detektorn (GCD). De producerade DT-fusionsneutronerna kan interagera med en kolpuck, belägen uppströms om GCD, generera y-strålar baserat på den oelastiska spridningen. På grund av neutronernas transittid är 12 C γs som produceras i kolpucken anländer till GCD senare i tiden.
Värdet av denna teknik tillhandahålls av den tidsmässiga separationen av y-signalerna på detektorn. Förhållandet mellan dessa signaler, som båda erhålls i en ICF-implosion med en enda skott, används för att bestämma ett D-T-förgreningsförhållandevärde på (4,6 ± 0,6) × 10 −5 . Denna mätning undviker behovet av absoluta detektorkalibreringar, som kan ha stora fel, och förlitar sig istället på det oelastiska spridningstvärsnittet av neutroner i 12 C och precisionen i mätningen av D-T-fusionsneutronutbytet. Det förra bestäms från flera experiment som utförts tidigare och det senare mäts med hög precision i ICF-implosioner. Denna metod resulterar i en mätning av förgreningsförhållandet med ett signifikant reducerat totalfel jämfört med tidigare ICF- och acceleratorbaserade experiment.
Jeet sa att framtida experiment kommer att genomföras i sommar vid Omega Laser Facility vid University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE) i Rochester, New York. Dessa experiment är utformade för att optimera denna mätning och kommer att ytterligare förbättra precisionen i D-T γ-till-neutronförgreningsförhållandet. Förutom att utföra en korskalibrering mot 12 C, olika material undersöks för att ytterligare minska de systematiska felen som är resultatet av korskalibreringstekniken. Dessa experiment kommer också att syfta till att tillhandahålla en korskalibrering av D- 3 He γ-till-proton förgreningsförhållande. + Utforska vidare
