Un método relativamente nuevo para controlar la fusión nuclear que combina una sacudida masiva de electricidad con fuertes campos magnéticos y un poderoso rayo láser ha logrado su propia producción récord de neutrones, un estándar clave por el cual se juzgan los esfuerzos de fusión, en Sandia National Laboratories 'Z pulsado instalación de energía, el productor de rayos X más poderoso de la Tierra.

El logro, de un proyecto llamado MagLIF, para la fusión inercial del revestimiento magnetizado, fue informado en un artículo publicado el 9 de octubre en la revista Cartas de revisión física .

"La producción de neutrones en los últimos dos años aumentó en más de un orden de magnitud, ", dijo el físico e investigador principal de Sandia Matt Gomez." No solo nos complace que las mejoras que implementamos hayan conducido a este aumento en la producción, pero que el aumento fue predicho con precisión por la teoría ".

La producción de neutrones MagLIF aumentó de 10 a 13 utilizando combustible de deuterio (de 10 a 15 representaría el aumento de producción de cien veces generalmente aceptado por los científicos, si es una mezcla igual de deuterio y tritio, DT, se había utilizado) y la temperatura media de los iones se duplicó. Esto se logró mediante un aumento simultáneo del 50 por ciento en el campo magnético aplicado, una triplicación de la energía láser y un aumento en la entrada de energía de Z de 16 a 20 mega amperios, Dijo Gómez.

"La salida fue de solo 2 kilojulios DT, una cantidad relativamente pequeña de energía, ", dijo. Un kilojulio se define como la energía térmica disipada por una corriente de 1, 000 amperios que pasan a través de una resistencia de 1 ohmio durante un segundo. "Pero según los experimentos que hemos realizado hasta ahora, que muestran un factor de mejora de 30 en cinco años y simulaciones consistentes con esos experimentos, creemos que es posible un rendimiento de 30 a 50 kilojulios, acercándonos al estado conocido como punto de equilibrio científico ".

El aumento de la producción, predicho a partir de cambios en la entrada, indica que una propuesta para construir una máquina incluso más grande que Z y mejor equipada para superar el punto de equilibrio, ahora tiene una base más sólida para realizar esa solicitud, dijo Gómez.

"Los resultados de MagLIF han despertado un enorme interés en la investigación de la fusión que, al combinar el magnetismo, láseres y energía eléctrica:abarca los estados de plasma entre la fusión por confinamiento inercial tradicional, como los láseres en la Instalación Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, y fusión de confinamiento magnético tradicional como el proyecto internacional ITER en el sur de Francia, "dijo Dan Sinars, director del Centro de Ciencias de la Energía Pulsada de Sandia. "El éxito de MagLIF ha dado lugar a nuevos programas y varias empresas emergentes de fusión, y ha ayudado a generar interés en este enfoque más amplio ".

Debido a que el rendimiento y las condiciones del plasma variaron de manera predecible con los cambios en los parámetros de entrada, El gerente de experimentos de fusión de Sandia, David Ampleford, dijo:"Tenemos una confianza adicional en que podemos escalar MagLIF a corrientes más altas".

El punto de equilibrio es el objetivo intermedio

El equilibrio se produce cuando la cantidad de energía invertida en el combustible es igual a la cantidad de energía que emite, un logro importante para los que están en el campo. Cuando se emite más energía de la necesaria para mantener el experimento, una condición conocida como "alto rendimiento", el sueño del mundo de obtener energía limpia a partir del agua de mar, el material más accesible de la Tierra, Dará un gran paso adelante.

El agua de mar contiene una variante de hidrógeno llamada deuterio, que contiene un neutrón extra, y tritio, que tiene dos neutrones extra. Estos neutrones adicionales son fusibles, lo que significa que liberan energía de fusión cuando pueden combinarse. Deuterio, más fácil de trabajar, es el material actual de elección en casi todos los experimentos de fusión en Z, con la presencia más enérgica del tritio a veces simulada.

Incluso antes de alcanzar el punto de equilibrio, el trabajo es útil:los datos de reacciones de fusión cada vez más poderosas introducidas en supercomputadoras informan el trabajo de administración de existencias de Sandia que garantiza que las armas nucleares de la nación estén seguras, seguro y confiable.

La historia de MagLIF comienza con una teoría

La teoría detrás del método de fusión MagLIF de Sandia se originó hace una década en Sandia por un equipo dirigido por el físico teórico Steve Slutz. El método combina un pulso eléctrico masivo de Z con una ráfaga de láser que precalienta un objetivo de deuterio del tamaño de un borrador de lápiz a veces helado. acercándolo a una temperatura inicial apropiada desde la cual subir a la fusión. Luego, el método emplea un campo magnético para mantener las partículas cargadas dentro del área operativa cilíndrica para que se fusionen en mayor número. Luego, todavía informado por la teoría, vino una ola de mejoras, más recientemente dirigido por el equipo Sandia de Gómez.

El equipo redujo el grosor de una ventana de plástico transparente que contenía el gas de fusión a temperatura ambiente, pero también ocultó parcialmente un puerto de entrada para el rayo láser.

Inicialmente, el equipo eligió de manera conservadora una ventana muy gruesa para asegurarse de que no explotara antes del experimento y arruinara el objetivo, Dijo Gómez. Después, El equipo probó rigurosamente los materiales de las ventanas en una variedad de espesores para identificar la presión a la que cada uno fallaría.

"Determinamos que podríamos reducir aproximadamente a la mitad el espesor y aún contener de manera robusta el combustible de fusión, "Dijo Gómez.

La pequeña ventana que desapareció

El combustible conservado, los investigadores recurrieron a simulaciones por computadora que mostraban cuánta mejora se podía esperar en el acoplamiento de energía del rayo láser con el objetivo, dado que se había reducido el grosor de la ventana.

"El láser no atraviesa la ventana de la forma en que tradicionalmente pensamos que lo haría, "Dijo Gómez." El láser es tan intenso que en realidad ioniza la ventana, convertirlo en plasma, calentándolo hasta que se vuelva más o menos transparente para el láser. El proceso de calentar la ventana a estas temperaturas extremas representa una fracción decente de la energía láser perdida. Eliminamos aproximadamente la mitad de la masa del material de la ventana, así que no necesitamos calentarnos tanto, por lo que perdemos menos energía.

"Nuestras simulaciones se confirmaron posteriormente con experimentos, "Dijo Gómez.

Sandia también aumentó el poder de los campos magnéticos que impedían que las partículas cargadas abandonaran el campo de juego. haciendo más probable que se quedaran para interactuar y fusionarse.

Otro problema superado fue cómo aumentar la fuerza de dos bobinas magnéticas manteniendo una ventana entre ellas para el acceso al diagnóstico, Dijo Gómez. "Previamente, necesitábamos decidir entre un campo magnético más grande sin acceso de diagnóstico, que estábamos reacios a intentar, y un campo magnético más pequeño con acceso de diagnóstico, ", Dijo Gómez." Ahora tenemos el campo más grande y el acceso de diagnóstico, lo que logramos mediante el refuerzo interno de las bobinas ".

La estabilidad de las reacciones sigue siendo un problema a medida que aumentan las poderosas fuerzas operativas. La implosión de la fusión, sacudido por una mayor entrada, puede girar hacia la nada. Pero las simulaciones muestran que una mayor presión en el área de combustible debería actuar para estabilizarse contra el aumento de las fuerzas entrantes.

"El punto de equilibrio está todavía a dos órdenes de magnitud, pero las simulaciones que capturan nuestras tendencias experimentales indican que es posible un aumento de otro orden de magnitud en el rendimiento con aumentos adicionales de los parámetros de entrada, "Dijo Gómez.

Menciona más combustible, ráfagas láser más potentes, los campos magnéticos y los pulsos eléctricos como factores contribuyentes controlables que conducen a salidas más altas que él considera inevitables.