Wissenschaftler bestätigen thermonukleare Fusion in einem Z-Pinch-Gerät mit Scherströmung

In Erkenntnissen, die dazu beitragen könnten, einen weiteren „gangbaren Weg“ zur Fusionsenergie voranzutreiben, hat die von Physikern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) geleitete Forschung die Existenz von Neutronen nachgewiesen, die durch thermonukleare Reaktionen von einem Z-Pinch-Gerät mit Scherströmungsstabilisierung erzeugt werden.

Die Forscher verwendeten fortschrittliche Computermodellierungstechniken und diagnostische Messgeräte, die am LLNL verfeinert wurden, um ein jahrzehntealtes Problem der Unterscheidung von Neutronen, die durch thermonukleare Reaktionen erzeugt wurden, von Neutronen zu lösen, die durch ionenstrahlgetriebene Instabilitäten für Plasmen im magneto-inertialen Fusionsregime erzeugt wurden.

Während frühere Forschungen des Teams zeigten, dass Neutronen, die von scherflussstabilisierten Z-Pinch-Geräten gemessen wurden, „mit der thermonuklearen Produktion vereinbar waren, hatten wir es noch nicht vollständig bewiesen“, sagte der LLNL-Physiker Drew Higginson, einer der Co-Autoren einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung veröffentlicht in Physik der Plasmen.

„Dies ist ein direkter Beweis dafür, dass die thermonukleare Fusion diese Neutronen produziert und nicht Ionen, die durch Strahlinstabilitäten angetrieben werden“, sagte Higginson, Hauptforscher des Teams von Portable and Adaptable Neutron Diagnostics (PANDA), das unter einer Agentur für fortgeschrittene Forschungsprojekte des Energieministeriums forscht. Kooperationsvereinbarung Energie (ARPA-E). „Es ist nicht bewiesen, dass sie einen Energiegewinn erzielen werden, aber es ist ein vielversprechendes Ergebnis, das darauf hindeutet, dass sie sich auf einem günstigen Weg befinden.“

Der LLNL-Physiker James Mitrani war der Hauptautor des Papiers, das zeigt, wie das breite Forschungsspektrum des Labors der größeren Fusionsgemeinschaft über die großen Fortschritte hinaus zugute kommt, die von der National Ignition Facility (NIF) des LLNL, dem energiereichsten Lasersystem der Welt, erzielt wurden.

„Die Forschung konzentrierte sich nur auf dieses eine Gerät“, sagte Mitrani, „aber die allgemeinen Techniken und Konzepte sind auf viele Fusionsgeräte in diesem intermediären magneto-inertialen Fusionsregime anwendbar.“ Er stellte fest, dass das Regime im Bereich zwischen Laserfusionsanlagen wie NIF und der Omega Laser Facility an der University of Rochester und Fusionsgeräten operiert, die Plasmen im rein magnetischen Regime einschließen, wie ITER (ein multinationales Projekt in Südfrankreich). SPARC (im Bau in der Nähe von Boston) oder andere Tokamak-Geräte.

Seit August hat NIF in der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft für Aufsehen gesorgt, weil ein Experiment zur Trägheitsfusion (ICF) eine Rekordenergie von 1,35 Megajoule (MJ) ergab. Dieser Meilenstein brachte die Forscher an die Zündschwelle – definiert von der National Academy of Sciences und der National Nuclear Security Administration, wenn eine NIF-Implosion mehr Fusionsenergie erzeugt als die Menge an Laserenergie, die an das Ziel abgegeben wird. Diesem Schuss gingen Fortschritte voraus, die LLNL-Forscher beim Erreichen eines brennenden Plasmazustands in Laborexperimenten erzielten.

Fusion ist die Energiequelle, die in der Sonne, Sternen und thermonuklearen Waffen zu finden ist. Die ICF-Experimente des NIF fokussieren 192 Laserstrahlen auf ein kleines Ziel, um teilweise gefrorene Wasserstoffisotope in einer Brennstoffkapsel zu komprimieren und zu erhitzen, wodurch eine Implosion erzeugt wird, die die Druck- und Temperaturbedingungen repliziert, die nur in den Kernen von Sternen und Riesenplaneten und in explodierenden Atomwaffen zu finden sind. Z-Pinch-Maschinen führen die Fusion durch, indem sie ein starkes Magnetfeld verwenden, um das Plasma einzuschließen und zu „pinnen“.

Das Z-Pinch-Konzept ist ein relativ einfaches Design, das seit den 1930er Jahren als theoretisches Modell existiert. Aber Higginson bemerkte, dass es eine lange Geschichte von „schrecklichen Instabilitäten“ hatte, die die Fähigkeit behinderten, die Bedingungen zu erzeugen, die erforderlich waren, um einen Nettogewinn an Fusionsenergie zu erreichen.

In den 1990er Jahren begannen LLNL-Wissenschaftler mit Forschern der University of Washington (UW) zusammenzuarbeiten, um einen weiteren vielversprechenden Weg zur Zündung voranzutreiben, das durch Scherströmung stabilisierte Z-Pinch-Konzept. Anstelle von leistungsstarken Stabilisierungsmagneten, die in anderen Z-Pinch-Geräten verwendet werden, verwenden Z-Pinch-Geräte mit Scherströmungsstabilisierung gepulsten elektrischen Strom, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das durch eine Plasmasäule fließt, um fusionsunterbrechende Instabilitäten zu reduzieren.

„Das Problem mit Instabilitäten ist, dass sie keinen gangbaren Weg zur Energieerzeugung schaffen, während die thermonukleare Fusion dies tut“, sagte Higginson. „Es war schon immer schwierig, diesen Unterschied zu diagnostizieren, besonders in einer Z-Prise.“

Im Jahr 2015 erhielten LLNL- und UW-Forscher eine ARPA-E-Kooperationsvereinbarung in Höhe von 5,28 Millionen US-Dollar, um die Physik der Pinch-Stabilisierung bei höheren Energien und Pinch-Strom im Rahmen des Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE)-Projekts der Universität zu testen.

Im Rahmen einer anschließenden Kooperationsvereinbarung des ARPA-E-„Fähigkeitsteams“ konzentrierten sich die LLNL-Forscher auf Diagnosen, die die während des Fusionsprozesses erzeugten Neutronenemissionen maßen, einschließlich der räumlichen Orte und Zeitprofile dieser Emissionen. Die Kombination der Plasmadiagnostik-Expertise nationaler Laboratorien und des agilen Betriebs privater Unternehmen nutzt ihre individuellen Stärken und ist ein Hauptziel des ARPA-E-Fusionsfähigkeitsteamprogramms.

Als sich der Radius des FuZE-Zylinders verengte, um die Kompression zu erhöhen, erzeugte dies auch Einbrüche im Plasma, die viel stärkere Magnetfelder erzeugten, die dazu führten, dass sich das Plasma an bestimmten Stellen stärker nach innen drückte als an anderen. Wie die eingeklemmten Enden eines beliebten röhrenförmigen Hackfleischs würden diese unerwünschten „Wurst“ -Instabilitäten Strahlen schnellerer Ionen erzeugen, die Neutronen erzeugen, die mit gewünschten thermonuklear erzeugten Neutronen verwechselt werden könnten.

LLNL-Forscher platzierten zwei Kunststoffszintillatordetektoren außerhalb des Geräts, um Spuren von Neutronen zu messen, wenn sie in nur wenigen Mikrosekunden aus verschiedenen Punkten und Winkeln außerhalb der Z-Pinch-Kammer austraten.

„Wir haben gezeigt, dass die emittierten Neutronenenergien an verschiedenen Punkten um dieses Gerät herum gleich waren, was auf thermonukleare Fusionsreaktionen hinweist“, sagte Mitrani.

Die Analyse umfasste die Erstellung von Histogrammen der von den beiden Szintillatoren erfassten Neutronenpulse und deren Vergleich mit Methoden wie computergestützten Monte-Carlo-Simulationen, die alle möglichen Ergebnisse untersuchen.

Die Diagnostik ist nicht neu, sagte Higginson, aber „die Idee, Histogramme einzelner Neutronenpulsenergien zu verwenden, um die Anisotropie zu messen – den Energieunterschied, wenn man in verschiedene Richtungen schaut – ist eine neue Technik, an die wir gedacht und entwickelt haben und hier implementiert. Darüber hinaus haben wir mit der UC Berkeley zusammengearbeitet, die uns geholfen hat, die Modellierungsfähigkeit zu entwickeln, um die Unsicherheiten in den Messungen auszubügeln und die Daten, die wir sehen, vollständig zu verstehen. Wir schauen nicht nur roh durch Daten.“

Die Veröffentlichung mit dem Titel „Thermonukleare Neutronenemission aus einem scherflussstabilisierten Z-Pinch“ wurde im November veröffentlicht und geht auf einen eingeladenen Vortrag zurück, den Mitrani auf der Jahrestagung der American Physical Society-Division of Plasma Physics im Jahr 2020 hielt.

Zu Mitrani und Higginson gesellte sich der LLNL-Kollege Harry McLean; Joshua Brown und Thibault Laplace von der UC Berkeley; Bethany Goldblum von der UC Berkeley und dem Lawrence Berkeley National Laboratory; und Elliot Claveau, Zack Draper, Eleanor Forbes, Ray Golingo, Brian Nelson, Uri Shumlak, Anton Stepanov, Tobin Weber und Yue Zhang von der University of Washington.

Die Forschung ist 2017 aus einem privat finanzierten Startup namens Zap Energy aus Seattle hervorgegangen.

Die Forschung wird mit neuen Zuschüssen fortgesetzt, wobei detailliertere Messungen von 16 Detektoren durchgeführt werden, während Zap Energy die Experimente fortsetzt.

„Wir wollen dabei sein, weil wir nicht wissen, welche Überraschungen auftauchen könnten“, sagte Higginson. „Es könnte sich herausstellen, dass Sie bei einer höheren Strömung plötzlich wieder Instabilitäten fahren. Wir wollen beweisen können, dass es möglich ist, bei steigender Strömung einen qualitativ hochwertigen und stabilen Pinch aufrechtzuerhalten.“