Die Kernfusion ist ein weithin untersuchter Prozess, bei dem Atomkerne mit niedriger Ordnungszahl zu einem schwereren Kern verschmelzen und dabei eine große Energiemenge freisetzen. Kernfusionsreaktionen können unter Verwendung einer als Trägheitsfusion bekannten Methode erzeugt werden, bei der leistungsstarke Laser verwendet werden, um eine Brennstoffkapsel zu implodieren und Plasma zu erzeugen.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der University of Delaware, der University of Rochester, des Lawrence Livermore National Laboratory, des Imperial College London und der University of Rome La Sapienza haben kürzlich gezeigt, was mit dieser Implosion passiert, wenn man ein starkes Magnetfeld anlegt die Brennstoffkapsel, die für die Trägheitsfusion verwendet wird. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigt, dass starke Magnetfelder die Form von Trägheitsfusionsimplosionen abflachen.
„Bei der Trägheitsfusion wird eine millimetergroße kugelförmige Kapsel mit Hochleistungslasern für die Kernfusion implodiert“, sagte Arijit Bose, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Das Anlegen eines Magnetfelds an die Implosionen kann die geladenen Plasmateilchen an das B-Feld binden und ihre Fusionschancen verbessern. Da das Magnetfeld jedoch die Bewegung der Plasmateilchen nur in Richtung quer zu den Feldlinien und nicht in Richtung entlang einschränken kann die angelegten Feldlinien, kann dies Unterschiede zwischen den beiden Richtungen einführen, die die Implosionsform beeinflussen.
In den letzten zehn Jahren untersuchten mehrere Physiker die möglichen Auswirkungen magnetisierender Fusionsimplosionen. Die meisten ihrer Studien waren jedoch numerischer Natur und testeten Hypothesen nicht in einem experimentellen Umfeld.
Bose und seine Kollegen beschlossen daher, eine Reihe von Tests durchzuführen, um empirisch zu bestimmen, was mit der Form von Trägheitsfusionsimplosionen unter starker Magnetisierung passiert. Ihre Experimente wurden speziell entwickelt, um die Eigenschaften stark magnetisierter Plasmen zu erforschen, indem sie einzigartige Plasmabedingungen erzeugen. Unter diesen Bedingungen sind sowohl die Plasmaionen als auch die Elektronen magnetisiert.
„Es ist erwähnenswert, dass die Magnetisierung von Plasmaionen sehr schwer zu erreichen ist und bei Hochleistungslasern nicht untersucht wurde“, erklärte Bose. „Um unsere Tests durchzuführen, haben wir ein extrem hohes Magnetfeld von 50 T verwendet, viel höher als die in früheren Experimenten verwendeten, und Schocks verwendet, um die Implosionsexperimente in der OMEGA-Laseranlage anzutreiben. Wir haben zum ersten Mal festgestellt, dass dieses Feld flachte die Form der Implosion ab, so dass sie abgeflachter wurde.
Die Forscher führten ihre Experimente an der OMEGA-Laseranlage durch, die sich im Laboratory for Laser Energetics in Rochester, New York, befindet. Insbesondere legten sie hohe B-Felder (dh mit Stärken, die 1000-mal höher sind als die von typischen Stabmagneten) an eine millimetergroße kugelförmige Kapsel an, die mit einem lasergetriebenen Schock auf über 100 Millionen K erhitzt wurde.
„Die Schockheizung und das angelegte B-Feld erzeugten einzigartige Plasmabedingungen mit stark magnetisierten Elektronen und Ionen, die für die Experimente wichtig waren“, sagte Bose. „Durch Simulationen haben wir dann festgestellt, dass diese abgeflachte Form durch die Unterdrückung des Wärmeflusses (senkrecht zur Richtung des Magnetfelds) im stark magnetisierten Plasma verursacht wird.“
Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams liefert neue wertvolle Erkenntnisse über Trägheitsfusionsimplosionen und die Auswirkungen, die Magnetfelder auf sie haben können. In Zukunft könnte die von ihnen skizzierte Methode von anderen Teams verwendet werden, um stark magnetisierte Elektronen und Ionen in experimentellen Umgebungen mit Hochleistungslasern zu erzeugen.
„Vor allem waren wir die ersten, die beobachteten, dass das angelegte Magnetfeld die Implosionsform abflachte“, fügte Bose hinzu. „In unseren nächsten Studien planen wir, das in unserer Arbeit skizzierte ‚Rezept‘ zu verwenden, um weitere Experimente durchzuführen, die darauf abzielen, stark magnetisierte Elektronen und Ionen zu erzeugen, um die Wirkung der Magnetisierung auf die Transporteigenschaften zu untersuchen.“
A. Bose et al, Wirkung stark magnetisierter Elektronen und Ionen auf den Wärmefluss und die Symmetrie von Trägheitsfusionsimplosionen, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.195002
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