根據(jù)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家們的新發(fā)現(xiàn)，離子在聚變反應(yīng)中的行為與之前的預(yù)期不同。這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)激光聚變能源的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵性的見(jiàn)解。題為'燃燒等離子體中超熱離子分布的證據(jù)'的研究結(jié)果在11月14日出版的《自然-物理》雜志上發(fā)表了一篇新論文。
這項(xiàng)工作顯示，對(duì)高產(chǎn)燃燒和點(diǎn)燃慣性約束核聚變實(shí)驗(yàn)（ICF）的中子能量測(cè)量顯示，對(duì)于處于熱平衡狀態(tài)的氘-氚（D-T）等離子體，產(chǎn)生了高于預(yù)期的平均中子能量。
'這意味著正在進(jìn)行核聚變的離子在最高性能的射擊中擁有比預(yù)期更多的能量，這是用于模擬ICF內(nèi)爆的普通輻射流體力學(xué)代碼所不能預(yù)測(cè)的--或者說(shuō)能夠預(yù)測(cè)的，'LLNL物理學(xué)家和論文的主要作者Alastair Moore說(shuō)。
雖然研究人員沒(méi)有清楚地了解是什么驅(qū)動(dòng)了這一觀察，但它是對(duì)正在進(jìn)行核聚變的離子的最直接測(cè)量之一，并且沒(méi)有被用于了解如何改進(jìn)ICF內(nèi)爆和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大和可靠的點(diǎn)火平臺(tái)的任務(wù)的模擬所捕獲。
Moore解釋說(shuō)，論文中描述的測(cè)量有點(diǎn)像多普勒頻移，導(dǎo)致當(dāng)一輛緊急車輛開(kāi)著警笛經(jīng)過(guò)時(shí)聽(tīng)到的音調(diào)變化。
'在國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）內(nèi)爆中，如果氘和氚離子在聚變反應(yīng)發(fā)生時(shí)向探測(cè)器移動(dòng)，我們就會(huì)觀察到來(lái)自反應(yīng)的更高能量-或'音調(diào)'-的中子，'Moore說(shuō)。'這使我們能夠診斷出驅(qū)動(dòng)和膠囊對(duì)稱性中的重要不平衡，這可能導(dǎo)致內(nèi)爆性能不佳，因?yàn)橐恍┨綔y(cè)器測(cè)量的平均中子能量比其他的高。'
這也為研究人員提供了一個(gè)了解等離子體有多熱的窗口。對(duì)于一個(gè)更熱的等離子體，離子在各個(gè)方向上的平均運(yùn)動(dòng)速度都更快，因此氘和氚離子以更高的速度碰撞，而這一額外的能量被反應(yīng)釋放的中子和α粒子所分享。
'這意味著所有的探測(cè)器都測(cè)量到一個(gè)較高的平均中子速度；因?yàn)樗谒械奶綔y(cè)器中都能看到，我們稱它為各向同性的速度，但它實(shí)際上是對(duì)氘和氚離子碰撞時(shí)可用的額外能量的測(cè)量，'Moore說(shuō)。'正因?yàn)槿绱耍菍?duì)正在進(jìn)行聚變的離子的直接測(cè)量。'對(duì)于一個(gè)熱等離子體來(lái)說(shuō)，這種額外的能量如何隨著溫度的增加而變化，這之間存在著一種固定的關(guān)系。
'這個(gè)結(jié)果的迷人之處在于，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于DT反應(yīng)來(lái)說(shuō)，NIF內(nèi)爆一旦開(kāi)始燃燒和點(diǎn)燃，就會(huì)超過(guò)這個(gè)關(guān)系，表明離子的能量超過(guò)了基于我們測(cè)量的等離子體溫度的預(yù)期，這使我們產(chǎn)生了超熱這個(gè)術(shù)語(yǔ)，'Moore說(shuō)。
這項(xiàng)研究的觀察建立在NIF核診斷團(tuán)隊(duì)許多人在過(guò)去5-10年的工作上。主要是通過(guò)使用NIF上的五個(gè)中子飛行時(shí)間光譜儀進(jìn)行最先進(jìn)的、高精度的測(cè)量而實(shí)現(xiàn)的。
新的切倫科夫nToF探測(cè)器技術(shù)的創(chuàng)造意味著研究人員能夠測(cè)量速度，其不確定性僅為每秒5千米，如果沒(méi)有這個(gè)精度，就不會(huì)觀察到這種效應(yīng)。
為了說(shuō)明這一點(diǎn)，由ICF中的DT核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子的平均能量意味著它們的速度超過(guò)每秒51000公里。這相當(dāng)于在不到十分之一秒的時(shí)間內(nèi)從舊金山到紐約。
論文中的數(shù)據(jù)是在2021年8月1.35MJ的結(jié)果之前提交的，研究人員繼續(xù)看到令人興奮的結(jié)果，隨著我們從燃燒到點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)這種偏離預(yù)期的趨勢(shì)。
'對(duì)這一結(jié)果的一個(gè)解釋是，D和T離子沒(méi)有處于平衡狀態(tài)，'Moore說(shuō)。'需要更先進(jìn)的模擬能力來(lái)更好地理解這一點(diǎn)，我們正在與洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、倫敦帝國(guó)學(xué)院和麻省理工學(xué)院的合作者合作，應(yīng)用這些能力來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題。'
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