Forscher aktualisieren Messverhältnisse, die für Experimente zur Fusion mit Trägheitseinschluss entscheidend sind

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben die Messung des Verzweigungsverhältnisses von Gamma (γ) zu Neutronen in Deuterium-Tritium (DT)-Fusionsreaktionen verfeinert.

Diese Reaktion ist ein brauchbarer Kandidat für Fusionsenergie, da bekannt ist, dass sie den größten Wirkungsquerschnitt bei Schwerpunktenergien unter 500 keV hat. Es gibt verschiedene Zweige dieser Reaktion. Dazu gehören ein intensiver Neutronen produzierender Zweig und deutlich weniger intensive γ-produzierende Zweige, von denen die letzteren fünf Größenordnungen weniger intensiv sind als die ersteren.

Das γ-zu-Neutronen-Verzweigungsverhältnis von DT ist aus kern- und plasmaphysikalischer Sicht von grundlegendem Interesse, und eine genauere Messung kann die theoretischen Bemühungen auf diesen Gebieten verstärken. Dieses Verzweigungsverhältnis ist auch bei experimentellen Bemühungen zur Kernfusion und verwandten Anwendungen für die nationale Sicherheit von Interesse.

Die Ergebnisse der Arbeit sind in dargestellt Körperliche Überprüfung C, mit dem LLNL-Physiker Justin Jeet als Hauptautor. Die Arbeit umfasste die Analyse von Daten aus einem früheren Trägheitsfusionsexperiment (ICF), das 2015 durchgeführt wurde und nicht für diese Messung optimiert war.

„Die frühen Stadien der COVID-19-Pandemie gaben uns Zeit, diese Daten erneut zu überprüfen, mit dem Ziel, eine genauere Messung des DT-γ-zu-Neutronen-Verzweigungsverhältnisses bereitzustellen“, sagte Jeet. „Das Papier erweitert frühere Messungen des Verzweigungsverhältnisses bei ICF-Implosionen und reduziert die Unsicherheit des gemeldeten Werts um fast den Faktor drei.“

Jeet erklärt, dass die Einschränkung seines Wertes für experimentelle Bemühungen in Einrichtungen mit Trägheitseinschluss und magnetischem Einschluss von größter Bedeutung ist.

„Für Tokamak-basierte Kernreaktoren wie ITER ist die Bestimmung des Leistungsverstärkungsfaktors (Q), definiert als das Verhältnis der erzeugten Fusionsleistung zu der zur Aufrechterhaltung des Plasmas erforderlichen Leistung, von entscheidender Bedeutung“, sagte Jeet. „Q kann genau bestimmt werden, indem die DT-Fusions-γ-Ausbeute zusammen mit dem genauen Wert des DT-γ-zu-Neutronen-Verzweigungsverhältnisses gemessen wird. In Trägheitseinschlusseinrichtungen kann das DT-Verzweigungsverhältnis in ähnlicher Weise absolute Ausbeutemessungen basierend auf γ-Strahlendiagnostik liefern .“

Das Deuterium-Tritium-γ-zu-Neutronen-Verzweigungsverhältnis wird in einem ICF-Experiment bestimmt, indem eine Kreuzkalibrierungstechnik verwendet wird, die auf dem inelastischen Streuquerschnitt von Neutronen in Kohlenstoff-12 (12C), einem besser bekannten Querschnitt, beruht. Da eine ICF-Implosion gepulst ist und die Kernproduktion über etwa 100 Pikosekunden (ps) erfolgt, treffen die γ-Strahlen der DT-Fusion zuerst auf einem γ-Detektor, dem Gas-Cherenkov-Detektor (GCD), ein. Die erzeugten DT-Fusionsneutronen können mit einem Kohlenstoffpuck interagieren, der sich stromaufwärts des GCD befindet, und basierend auf der inelastischen Streuung γ-Strahlen erzeugen. Aufgrund der Laufzeit von Neutronen treffen die im Kohlenstoffpuck erzeugten 12C γs zeitlich später am GCD ein.

Der Wert dieser Technik ergibt sich aus der zeitlichen Trennung der γ-Signale auf dem Detektor. Das Verhältnis dieser Signale, die beide in einer Einzelschuss-ICF-Implosion erhalten werden, wird verwendet, um einen DT-Verzweigungsverhältniswert von (4,6 ± 0,6) × 10–5 zu bestimmen. Diese Messung vermeidet die Notwendigkeit absoluter Detektorkalibrierungen, die große Fehler aufweisen können, und stützt sich stattdessen auf den inelastischen Streuquerschnitt von Neutronen in 12C und die Präzision bei der Messung der DT-Fusionsneutronenausbeute. Ersteres wird aus mehreren in der Vergangenheit durchgeführten Experimenten bestimmt und letzteres wird mit hoher Präzision bei ICF-Implosionen gemessen. Dieses Verfahren führt zu einer Messung des Verzweigungsverhältnisses mit einem deutlich reduzierten Gesamtfehler im Vergleich zu früheren ICF- und beschleunigerbasierten Experimenten.

Jeet sagte, dass zukünftige Experimente diesen Sommer in der Omega Laser Facility des Labors für Laserenergie (LLE) der Universität von Rochester in Rochester, New York, durchgeführt werden. Diese Experimente sind darauf ausgelegt, diese Messung zu optimieren und werden die Genauigkeit des γ-zu-Neutronen-Verzweigungsverhältnisses von DT weiter verbessern. Neben der Durchführung einer Kreuzkalibrierung gegen 12C werden verschiedene Materialien untersucht, um die systematischen Fehler, die sich aus der Kreuzkalibrierungstechnik ergeben, weiter zu reduzieren. Diese Experimente zielen auch darauf ab, eine Kreuzkalibrierung des D-3He-γ-zu-Protonen-Verzweigungsverhältnisses bereitzustellen.