Shkencëtarët konfirmojnë shkrirjen termonukleare në një pajisje Z-pinch

Në gjetjet që mund të ndihmojnë në avancimin e një “rruge të qëndrueshme” drejt energjisë së shkrirjes, hulumtimi i udhëhequr nga fizikanët e Laboratorit Kombëtar Lawrence Livermore (LLNL) ka vërtetuar ekzistencën e neutroneve të prodhuara përmes reaksioneve termonukleare nga një pajisje Z-pinch e stabilizuar me rrjedhje të prerë.

Studiuesit përdorën teknika të avancuara të modelimit kompjuterik dhe pajisje matëse diagnostikuese të mprehta në LLNL për të zgjidhur një problem të vjetër dekadash të dallimit të neutroneve të prodhuar nga reaksionet termonukleare nga ato të prodhuara nga paqëndrueshmëritë e drejtuara nga rrezet jonike për plazmat në regjimin e shkrirjes magneto-inerciale.

Ndërsa hulumtimi i mëparshëm i ekipit tregoi se neutronet e matura nga pajisjet e stabilizuara me rrjedhje të prerë Z-pinch ishin “në përputhje me prodhimin termonuklear, ne nuk e kishim vërtetuar plotësisht akoma”, tha fizikani i LLNL Drew Higginson, një nga bashkautorët e një punimi kohët e fundit. botuar në Physics of Plasmas.

“Kjo është provë e drejtpërdrejtë që shkrirja termonukleare prodhon këto neutrone dhe jo jone të nxitura nga paqëndrueshmëria e rrezeve,” tha Higginson, hetuesi kryesor i ekipit të Diagnostifikimit të Neutronit Portativ dhe të Përshtatshëm (PANDA) që po bën kërkime nën një Agjencinë e Projekteve Kërkimore të Avancuara të Departamentit të Energjisë. Marrëveshja e bashkëpunimit për energjinë (ARPA-E). “Nuk është e provuar se ata do të fitojnë energji, por është një rezultat premtues që sugjeron se ata janë në një rrugë të favorshme.”

Fizikani LLNL, James Mitrani, ishte autori kryesor i punimit, i cili demonstron se si gama e gjerë e kërkimeve të laboratorit po përfiton komunitetin më të madh të shkrirjes përtej përparimeve të mëdha të bëra nga Qendra Kombëtare e Ndezjes së LLNL (NIF), sistemi më energjik i lazerit në botë.

“Kërkimi u fokusua vetëm në këtë pajisje,” tha Mitrani, “por teknikat dhe konceptet e përgjithshme janë të zbatueshme për shumë pajisje të shkrirjes në këtë regjim të shkrirjes magneto-inerciale të ndërmjetme.” Ai vuri në dukje se regjimi vepron në zonën midis objekteve të shkrirjes me lazer, si NIF dhe Objektit të Laserit Omega në Universitetin e Rochester-it, dhe pajisjeve të shkrirjes që kufizojnë plazmat në regjimin thjesht magnetik, si ITER (një projekt shumëkombësh në Francën jugore). SPARC (në ndërtim afër Bostonit) ose pajisje të tjera tokamak.

Që nga gushti, NIF ka krijuar zhurmë në të gjithë komunitetin shkencor global, sepse një eksperiment i bashkimit të mbylljes inerciale (ICF) dha një rekord 1,35 megaxhaule (MJ) energji. Ky moment historik i solli kërkuesit në pragun e ndezjes – i përcaktuar nga Akademia Kombëtare e Shkencave dhe Administrata Kombëtare e Sigurisë Bërthamore si kur një shpërthim NIF prodhon më shumë energji bashkimi sesa sasia e energjisë lazer që shpërndahet në objektiv. Ajo goditje u parapri nga përparimi që studiuesit e LLNL bënë në arritjen e një gjendje plazme djegëse në eksperimentet laboratorike.

Fusioni është burimi i energjisë që gjendet në diell, yje dhe armë termonukleare. Eksperimentet ICF të NIF fokusojnë 192 rreze lazer në një objektiv të vogël për të ngjeshur dhe ngrohur izotopet e hidrogjenit pjesërisht të ngrira brenda një kapsule karburanti, duke krijuar një shpërthim që përsërit kushtet e presionit dhe temperaturës që gjenden vetëm në bërthamat e yjeve dhe planetëve gjigantë dhe në armët bërthamore që shpërthejnë. Makineritë Z-pinch realizojnë shkrirjen duke përdorur një fushë magnetike të fuqishme për të kufizuar dhe “kapur” plazmën.

Koncepti Z-pinch është një dizajn relativisht i thjeshtë që ka ekzistuar si një model teorik që nga vitet 1930. Por Higginson vuri në dukje se kishte një histori të gjatë të “paqëndrueshmërive të tmerrshme” që pengonin aftësinë për të krijuar kushtet e nevojshme për të arritur një fitim neto të energjisë së shkrirjes.

Në vitet 1990, shkencëtarët e LLNL filluan të punojnë me studiuesit e Universitetit të Uashingtonit (UW) për të avancuar një rrugë tjetër premtuese drejt ndezjes, konceptin e stabilizuar të rrjedhës së prerë Z-pinch. Në vend të magnetëve të fuqishëm stabilizues të përdorur në pajisjet e tjera me majë Z, pajisjet me majë Z të stabilizuar me rrjedhje të prerë përdorin rrymë elektrike pulsuese për të gjeneruar një fushë magnetike që rrjedh nëpër një kolonë plazme për të reduktuar paqëndrueshmëritë që prishin shkrirjen.

“Problemi me paqëndrueshmëritë është se ato nuk krijojnë një rrugë të qëndrueshme për prodhimin e energjisë, ndërsa fuzioni termonuklear po,” tha Higginson. “Ka qenë gjithmonë e ndërlikuar për të diagnostikuar këtë ndryshim, veçanërisht në një majë Z.”

Në vitin 2015, studiuesve të LLNL dhe UW iu dha një marrëveshje bashkëpunimi prej 5.28 milionë dollarësh ARPA-E për të testuar fizikën e stabilizimit të pinchit në energji më të larta dhe rrymën e rrymës nën projektin e universitetit Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE).

Sipas një marrëveshjeje të mëvonshme bashkëpunuese të “ekipit të aftësive” ARPA-E, studiuesit e LLNL u fokusuan në diagnostikimin që matën emetimet e neutroneve të prodhuara gjatë procesit të shkrirjes, duke përfshirë vendndodhjet hapësinore dhe profilet kohore të atyre emetimeve. Kombinimi i ekspertizës diagnostikuese plazmatike të laboratorëve kombëtarë dhe funksionimit të shkathët të kompanive private bazohet në secilën nga pikat e forta të tyre individuale dhe është një objektiv kryesor i programit të ekipit të aftësive të shkrirjes ARPA-E.

Ndërsa rrezja e cilindrit FuZE ngushtohej për të rritur ngjeshjen, ai gjithashtu do të krijonte zhytje në plazmë që gjeneronin fusha magnetike shumë më të forta që do të bënin që plazma të pinte nga brenda në pika të caktuara sesa në të tjerat. Ashtu si skajet e mbërthyera të një mishi të grirë popullor me tuba, ato paqëndrueshmëri të padëshiruara të “sallamit” do të krijonin rreze jonesh më të shpejta që prodhonin neutrone që mund të ngatërroheshin me neutronet e dëshiruara të prodhuara nga termonuklearët.

Studiuesit e LLNL vendosën dy detektorë plastikë scintilatorë jashtë pajisjes për të matur gjurmët e neutroneve pasi ato dolën në vetëm disa mikrosekonda nga pika dhe kënde të ndryshme jashtë dhomës me majë Z.

“Ne treguam se energjitë e neutroneve të emetuara ishin të barabarta në pika të ndryshme rreth kësaj pajisjeje, gjë që është tregues i reaksioneve të shkrirjes termonukleare,” tha Mitrani.

Analiza përfshinte krijimin e histogrameve të pulseve të neutroneve të zbuluara nga dy scintilatorët dhe krahasimin e tyre duke përdorur metoda të tilla si simulimet e kompjuterizuara të Monte Carlo që ekzaminojnë të gjitha rezultatet e mundshme.

Diagnostifikimi nuk është i ri, tha Higginson, por “ideja e përdorimit të histogrameve të energjive individuale të pulsit të neutronit për të matur anizotropinë – ndryshimi në energji kur shikoni në drejtime të ndryshme – është një teknikë e re dhe është diçka që ne menduam, e zhvilluam dhe zbatohet këtu. Përveç kësaj, ne kemi punuar me UC Berkeley, e cila na ka ndihmuar të zhvillojmë aftësinë e modelimit për të hekurosur pasiguritë në matje dhe për të kuptuar plotësisht të dhënat që po shohim. Ne nuk po shikojmë vetëm të papërpunuara të dhëna.”

Punimi, “Emetimi termonuklear i neutronit nga një majë Z i stabilizuar me rrjedhje të prerë”, u botua në nëntor dhe buroi nga një fjalim i ftuar Mitrani i prezantuar në takimin vjetor të Shoqatës Amerikane të Fizikës-Divizioni i Fizikës së Plazmës në 2020.

Mitranit dhe Higginson-it iu bashkua kolegu i LLNL-së, Harry McLean; Joshua Brown dhe Thibault Laplace nga UC Berkeley; Bethany Goldblum nga UC Berkeley dhe Lawrence Berkeley National Laboratory; dhe Elliot Claveau, Zack Draper, Eleanor Forbes, Ray Golingo, Brian Nelson, Uri Shumlak, Anton Stepanov, Tobin Weber dhe Yue Zhang nga Universiteti i Uashingtonit.

Hulumtimi nxori një startup të financuar privatisht në Seattle të quajtur Zap Energy në 2017.

Kërkimi po vazhdon me grante të reja, me matje më të detajuara të marra nga 16 detektorë ndërsa Zap Energy vazhdon eksperimentet.

“Ne duam të përfshihemi sepse nuk e dimë se çfarë surprizash mund të lindin”, tha Higginson. “Mund të rezultojë që ndërsa kaloni në një rrymë më të lartë, papritur filloni të nxisni përsëri paqëndrueshmëri. Ne duam të jemi në gjendje të dëshmojmë ndërsa rryma rritet se është e mundur të ruhet një majë e cilësisë së lartë dhe e qëndrueshme.”