Neutronisotropi-målinger validerer klippet-strømningsstabiliserede Z-klemme til stabil termisk fusion

I fysik betyder udtrykket “isotropi” et system, hvor egenskaberne er de samme i alle retninger. For fusion er neutronenergi isotropi en vigtig måling, der analyserer vandløbene af neutroner, der kommer fra enheden, og hvor ensartede de er. Dette er kritisk, fordi såkaldte isotropiske fusionsplasmas antyder et stabilt, termisk plasma, der kan skaleres til højere fusionsenergigevinster, mens anisotrope plasmaer, de, der udsender uregelmæssige neutronenergier, kan føre til en blindgyde.

Et nyt ZAP -forskningsdokument, der er offentliggjort i Nuklear fusionDetaljer neutronisotropi-målinger fra den brændstof, der giver den bedste validering endnu, at ZAPs afskårne strømningsstabiliserede Z-pinches genererer stabil, termisk fusion. Det er en benchmark milepæl for at skalere fusion til højere energiudbytte i ZAPs teknologi og give tillid til at nå højere ydelse på Fuze-Q-enheden.

“I det væsentlige indikerer denne måling, at plasmaet er i en termodynamisk ligevægt,” siger Uri Shumlak, Zaps hovedforsker og medstifter. “Det betyder, at vi kan fordoble størrelsen på plasmaet og forvente, at den samme slags ligevægt eksisterer.”

Den rigtige slags fusionsneutroner

Læser neutronerne

Inde i en ZAP -kerne smeltes brintkerner smeltet sammen i helium, en proces, der sparker ud af en neutron ved høje energier. Disse neutroner bærer 80% af den energi, der kommer fra fusionsreaktionen, så generelt, jo flere neutroner, jo bedre.

Imidlertid skabes ikke alle slags fusionsreaktioner lige. Termisk fusion er ZAPs mål – når kerner smeltes sammen af ​​den ekstreme varme og tryk inde i dets plasma. Termisk fusion producerer energiske neutroner, der skales eksponentielt (på omkring 1011) Som mængden af ​​strøm, der udføres gennem plasmaet, ringes op for at nå de nødvendige niveauer for fusion for at give nettoenergi.

Mindre ønskeligt er det, der er kendt som bjælke-målfusion, der sker, når en brintkerne accelereres til høj hastighed og strejker en stationær kerne. I modsætning til i termisk fusion indikerer Beam-målfusion, at plasmaet er ude af ligevægt, og derfor skalerer ikke så stærkt, hvilket gør en arbejdsenergikilde meget vanskeligere.

Termisk fusion producerer neutroner med isotrope hastigheder eller med den samme energi i alle retninger, mens bjælke-målfusion producerer dem anisotropisk, eller sådanne neutroner i visse retninger har højere energier. Så sammenligning af målinger af neutronenergien på forskellige steder er en enkel måde at se, hvor meget af fusionen i brændstofenheden er ikke-termisk.

“Hvis vi primært så neutroner fra en stråle-målkilde, ville det betyde, at vores maskine ikke ville være skalerbar. Vi kunne ikke komme til nettoenergiproduktion,” siger Rachel Ryan, seniorforsker hos Zap og hovedforfatter af Ny forskning.

For at teste neutronisotropien i Fuze kørte ZAP -forskere og ingeniører en række tests ved hjælp af neutrondetektorer placeret rundt om enheden. Måling af 433 plasmabilleder genereret med de samme maskineindstillinger viste neutronerne sig at være næsten totalt isotropisk.

Den rigtige slags fusionsneutroner

En meningsfuld måling på flere måder end en

Udover at være et vigtigt benchmark for fysikforløbet, har Neutron Isotropy ekstra historisk betydning for ZAPs fusionsmetode.

Z Pinch er en af ​​Fusions ældste tilgange og går tilbage til 1950’erne. Da forskere, der arbejdede på Zero Energy Thermonuclear Assembly (ZETA) -enheden i Det Forenede Kongerige, begyndte at bruge magnetiske felter til at “klemme” en plasma, der var stærkt nok til at skabe fusion, troede de, at de havde fået succes.

Men denne succes kom ikke i den måde, de havde håbet på. Deres enhed viste sig at skabe næsten udelukkende stråle-målfusion gennem oprettelsen af ​​ustabiliteter i magnetfeltet. Det betød, at de aldrig kunne generere netto-energiforring. Det, der havde været et håbefuldt øjeblik for fysikfællesskabet, viste sig at være en skuffelse og en PR -katastrofe.

Mens isotropi blev et særligt sort mærke for klemmebaserede tilgange, risikerer alle fusionsteknologier at måle falske positiver fra stråle-målneutroner. For eksempel er en enhed kendt som et tæt plasma -fokus (DPF) også stort set blevet afvist som et praktisk sti til et fusionsevne. Selvom de på nogle måder ligner ZAPs enheder og betragtes som et effektivt middel til at generere neutroner, kommer DPF-neutroner primært fra bjælke-målinteraktioner.

I skyggen af ​​disse eksperimenter er Zap ekstra bevidst om historien, som dens neutroner fortæller. Virksomheden målte først termisk fusion i 2018, og disse nye tests, udført med højere følsomhed og ved højere energier, er den seneste bekræftelse af, at klippede strømme kan udsætte de ustabiliteter, der dømte tidligere Z -klemmeindsatsen. Skalerbar termisk Z-Pinch-fusion uden at kræve nogen eksterne magneter til indeslutning forbliver lovende.

Papiret repræsenterer en større fysikovervejelse, siger Shumlak. “Dette er grunden til, at vi lægger så stor indsats for at foretage disse præcise målinger,” forklarer han.

Forbereder sig på fremtiden

Siden han kom til ZAP i 2023, har Ryan spillet hovedrollen i planlægningen og udførelsen af ​​neutronmålinger på ZAP, der bygger på arbejde, der tidligere var udført af samarbejdspartnere og medforfattere fra Lawrence Livermore National Lab. Næste op for teamet kører det samme sæt test ved højere energi på ZAPs Fuze-Q-enhed. De oprindelige resultater ser lovende ud.

“Når vi fortsætter med at opskalere, er det vigtigt for os at fortsætte med at tage denne måling og fortsætte med at kontrollere, om Beam-Target Fusion bidrager til vores udbytter,” siger Ryan.

Interessant nok bemærker papiret også, at neutronerne blev mindre isotropisk og mistet ensartethed nær slutningen af ​​hvert skud. Forskerne antyder, at dette sandsynligvis er en fase, hvor klemme bliver ustabil, før den går i stykker og holder op med at generere fusion helt. At forstå denne fase kan give en bedre forståelse af, hvordan man forhindrer ustabiliteterne i at skære fusion kort og yderligere øge plasmaets varighed og ydeevne.