第一个用于直接驱动融合

罗切斯特大学的科学家们在激光聚变研究方面迈出了重要一步。

在大学激光能量学实验室(LLE)使用OMEGA激光器进行的实验创造了能够产生比当前记录激光聚变能量产量高五倍的聚变产率的条件，只要再现LLE产生的相对条件并在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施(NIF)扩大规模。

该研究结果是由LLE科学家Sean Regan，Valeri Goncharov和合作者进行的多项实验的结果，他们的论文发表在Physical Review Letters上。罗切斯特大学物理学博士生Arijit Bose与工程和物理学教授Riccardo Betti一起在物理评论E(R)期刊上发表的快速通讯论文中解释了这些发现。

Bose报道，如果在NIF上复制，LLE的条件将产生超过100千焦耳(kJ)的聚变能。虽然这似乎是世界上不断扩大的能源需求的微小闪烁，但这项新工作代表了一项长期的国家研究计划的重大进展，该计划旨在将聚变作为一种能源来源。100 kJ是100瓦光的能量输出大约20分钟，但在NIF的融合实验中，能量将在不到十亿分之一秒内释放，足以使燃料更接近于点火条件。

“我们将热核燃料压缩到了点燃它所需压力的一半左右。这是许多LLE科学家和工程师团队合作的结果，”LLE实验组负责人里根说。

如果被点燃，热核燃料会释放出大量的聚变能，远远大于燃料的输入能量。

“在激光聚变中，被点燃的目标就像一颗大约十分之一毫米的微型恒星，它产生的能量相当于几十亿分之一秒的几加仑汽油。我们还没有，但我们正在取得进展“激光能量学实验室的Robert L. McCrory教授贝蒂说。

就接近点燃燃料所需的条件而言，最近的两篇LLE论文报告说，当外推到NIF能量时，OMEGA实验与当前的NIF记录相匹配。点燃目标是美国激光聚变工作的主要目标。

作为他们工作的一部分，研究人员仔细瞄准了LLE的60个激光束，以打击毫米大小的燃料颗粒 - 这种方法被称为惯性约束聚变(ICF)的直接驱动方法。

结果表明，LLE使用的直接驱动方法是世界上最多产的激光器(在实验数量，出版物和用户多样性方面)，是一种很有前途的融合途径，也是一种可行的替代方法。 ，包括在NIF使用的那些。在那里，研究人员正致力于通过使用192个激光束实现融合，这种方法称为间接驱动，其中激光首先在称为空腔的金外壳中转换成X射线。虽然尚未实现点火，但LLNL的科学家和ICF社区的同事在理解物理学和开发间接驱动融合的创新方法方面取得了重大进展。

“我们已经证明直接驱动方法与推进核聚变研究所做的其他工作相当，”Bose说。

“Arijit的工作非常彻底和令人信服。虽然还有很多工作要做，但这一结果显示了直接驾驶方法的重大进展，”Betti说。

LLE和NIF的研究都基于惯性约束，其中核聚变反应通过加热和压缩 - 或破坏 - 包含由氘和氚(DT)制成的燃料的靶来实现。目标是使原子与足够的能量碰撞，使原子核融合形成氦原子核和自由中子，在此过程中释放出大量能量。

在LLE和NIF正在探索的两种方法中，一个主要的挑战是创造一种能够点燃目标炮弹中所有燃料的自持燃烧。因此，重要的是在最初形成氦原子核时产生足够的热量以保持过程进行。氦原子核称为α粒子，产生的热量称为α加热。

LLE副主任兼研究团队成员Michael Campbell表示，由于直接法方法的一些改进，结果成为可能。

一个涉及瞄准60个激光束，现在更均匀地击中目标。

“这就像用手挤压一个气球;总有一些零件突然出现在你手中没有的地方，”坎贝尔说。“如果有可能从表面上的每个点挤出一个气球，那么内部就会有更大的压力。而这就是当激光更加对称地撞击目标时会发生的情况。”

“如果我们能够改善我们压缩目标的方式的均匀性，我们可能会非常接近推断NIF点火的条件。这是我们将在不久的将来关注的内容”，Goncharov说，新的LLE理论部门主任。

在LLE上进行了另外两项增强：改进了目标外壳的质量，使其更容易压缩，并且用于测量外壳内发生的事情的诊断变得更好。研究人员现在能够以40万亿分之一秒的帧时间捕获目标内爆的X射线图像，为他们提供有关如何更精确地调整激光并理解物理的信息。

“我们所做的是展示直接驱动激光在核聚变过程中的优势，”坎贝尔说。“这应该会带来更多的研究机会，以及该领域的持续进步。”

Bose表示，下一步是对目标外壳发生的事情进行理论估计，因为它受到激光的击中。这些信息将有助于科学家进一步改进。