Gli scienziati confermano la fusione termonucleare nel dispositivo a flusso sfaldato Z-pinch

Nei risultati che potrebbero aiutare a far avanzare un altro “percorso praticabile” per l’energia di fusione, la ricerca guidata dai fisici del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ha dimostrato la presenza di neutroni prodotti attraverso reazioni termonucleari dal dispositivo a flusso continuo Z-pinch.

I ricercatori hanno utilizzato tecniche avanzate di modellazione al computer e strumentazione diagnostica affinata presso LLNL per risolvere un problema vecchio di decenni di distinguere i neutroni che producono reazioni termonucleari di quelli risultanti dall’instabilità indotta dal fascio di ioni del plasma nel sistema di fusione magnetica inerziale.

Mentre la precedente ricerca del team ha mostrato che i neutroni misurati da dispositivi a taglio di flusso montati su Z-pinch erano “compatibili con la produzione termonucleare, non l’abbiamo ancora completamente dimostrato”, ha affermato il fisico LLNL Drew Higginson, uno dei coautori della ricerca di recente pubblicato in Fisica del plasma.

“Questa è la prova diretta che la fusione termonucleare produce questi neutroni e non gli ioni dall’instabilità del raggio”, ha affermato Higginson, ricercatore principale del team Portable and Adaptive Neutron Diagnostics (PANDA) che conduce ricerche nell’ambito dell’Agenzia per i progetti di ricerca avanzata dell’energia del Dipartimento dell’energia- Accordo di cooperazione energetica (ARPA-E). “Non è stato dimostrato che avranno un guadagno di energia, ma è un risultato promettente che indica che sono su un percorso positivo”.

Il fisico dell’LLNL James Mitrani è stato l’autore principale del documento di ricerca, che mostra come l’ampia portata della ricerca in vitro avvantaggia la più ampia comunità di fusione al di là dei principali progressi compiuti dalla National Ignition Foundation (NIF) dell’LLNL, il sistema laser più attivo al mondo.

“La ricerca si è concentrata solo su questo singolo dispositivo, ma le tecniche e i concetti generali sono applicabili a molti dispositivi di fusione nel sistema di fusione ad inerzia mesomagnetica”, ha affermato Mitrani. Ha osservato che il sistema opera nell’area tra gli impianti di fusione laser, come il NIF e l’Omega Laser Facility dell’Università di Rochester, e i dispositivi di fusione che confinano i plasmi in un sistema puramente magnetico, come ITER (un progetto multinazionale nel sud Francia), SPARC (in costruzione vicino a Boston).) o altri dispositivi Tokamak.

Da agosto, il NIF ha suscitato scalpore nella comunità scientifica globale perché il suo esperimento di fusione con autoconfinamento (ICF) ha prodotto 1,35 megajoule (MJ) di energia. Il risultato ha portato i ricercatori alla soglia di accensione, definita dalla National Academy of Sciences e dalla National Nuclear Security Administration quando un’esplosione NIF produce più energia di fusione rispetto alla quantità di energia laser fornita al bersaglio. Questa istantanea precede i progressi compiuti dai ricercatori LLNL nel raggiungimento dello stato del plasma bruciato negli esperimenti di laboratorio.

La fusione è la fonte di energia che si trova nel sole, nelle stelle e nelle armi termonucleari. Gli esperimenti ICF del NIF concentrano 192 raggi laser su un piccolo bersaglio per comprimere e riscaldare gli isotopi di idrogeno parzialmente congelati all’interno di una capsula di combustibile, creando un’implosione che replica le condizioni di pressione e temperatura che si trovano solo nei nuclei di stelle e pianeti giganti e nell’esplosione nucleare Armi. Le macchine a compressione a forma di Z realizzano la fusione utilizzando un forte campo magnetico per confinare e “comprimere” il plasma.

Il concetto Z-pinch è un design relativamente semplice che esiste come modello teorico dagli anni ’30. Ma Higginson ha notato che ha una lunga storia di “terribile instabilità” che ha impedito la capacità di generare le condizioni necessarie per guadagni energetici netti di fusione.

Negli anni ’90, gli scienziati dell’LLNL hanno iniziato a lavorare con i ricercatori dell’Università di Washington (UW) per spingere un altro promettente percorso verso l’accensione, il concetto stabile di compressione a Z del flusso diviso. Invece dei potenti magneti di bloccaggio utilizzati in altri dispositivi Z-pinch, i dispositivi Z-pinch tagliati a flusso utilizzano una corrente elettrica pulsata per generare un campo magnetico che scorre attraverso una colonna di plasma per ridurre l’instabilità della fusione.

“Il problema con l’instabilità è che non crea una via praticabile per la produzione di energia, mentre la fusione termonucleare lo fa”, ha detto Higginson. “Diagnosticare questa differenza è sempre stato impegnativo, in particolare nel caso di un ceppo a forma di Z”.

Nel 2015, i ricercatori LLNL e UW hanno ricevuto un accordo di collaborazione ARPA-E da 5,28 milioni di dollari per testare la fisica della stabilizzazione del disco a energie e correnti di pressione più elevate nell’ambito del progetto Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE) dell’università.

In base a un successivo accordo di collaborazione per l’ARPA-E “Power Team”, i ricercatori LLNL si sono concentrati sulla diagnostica che misura le emissioni di neutroni generate durante il processo di fusione, comprese le posizioni spaziali e i profili temporali di tali emissioni. Combinare l’esperienza diagnostica del plasma dei laboratori nazionali con la rapida operatività di società private si basa su ciascuno dei loro punti di forza individuali ed è un obiettivo chiave del programma ARPA-E Integration Capacity Team.

Con il raggio del cilindro FuZE che si restringe per aumentare pressionecauserà anche cali nel plasma che genereranno campi magnetici molto più forti che causeranno plasma Per modificare l’interno più in determinate aree che in altre. Come le estremità pizzicate della famosa carne macinata tubolare, l’instabilità della “salsiccia” indesiderata creerebbe fasci di ioni più veloci che producono neutroni che potrebbero essere confusi con i neutroni desiderati prodotti da un termonucleare.

I ricercatori dell’LLNL hanno posizionato due rilevatori di plastica lampeggianti all’esterno del dispositivo per misurarne gli effetti neutroni Perché sono apparsi in pochi microsecondi da diversi punti e angolazioni al di fuori della camera Z-pinch.

“Abbiamo mostrato che le energie dei neutroni emessi erano uguali in diversi punti attorno a questo dispositivo, il che indica la presenza di energia termonucleare. fusione feedback”, ha detto Matrani.

L’analisi ha comportato la creazione di grafici degli impulsi di neutroni rilevati dai lucidatori e il loro confronto utilizzando metodi come le simulazioni Monte Carlo computerizzate che esaminano tutti i possibili risultati.

La diagnostica non è nuova, ha detto Higginson, ma “l’idea di utilizzare grafici delle singole energie degli impulsi di neutroni per misurare l’anisotropia – la differenza di energie quando si guarda in direzioni diverse – è una nuova tecnologia ed è qualcosa a cui abbiamo pensato , sviluppato e implementato qui. Inoltre, abbiamo collaborato con l’Università della California a Berkeley, che ci ha aiutato a migliorare la capacità di modellazione per risolvere le incertezze nelle misurazioni e comprendere appieno i dati che vediamo. Non ci limitiamo a esaminare i dati .”

Il documento di ricerca, “Thermal Neutron Emission from Z-pinch-Shear Flow”, è stato pubblicato a novembre e pubblicato da un discorso su invito di Mitrani presentato all’incontro annuale dell’American Physical Society – Division of Plasma Physics nel 2020.

È stato raggiunto da Mitrani e dal collega di Higginson Harry MacLean nella LLNL League; Joshua Brown e Thibault Laplace dell’Università della California, Berkeley; Bethany Goldblum dell’Università della California, Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory; e Elliot Clavo, Zach Draper, Eleanor Forbes, Ray Goolingo, Brian Nelson, Uri Shumlak, Anton Stepanov, Tobin Weber e Yu Zhang dell’Università di Washington.

La ricerca è il risultato di una startup finanziata privatamente a Seattle chiamata Zap Energy nel 2017.

La ricerca continua con nuove sovvenzioni, con misurazioni più dettagliate effettuate da 16 rivelatori mentre Zap Energy continua i suoi esperimenti.

“Vogliamo essere coinvolti perché non sappiamo quali sorprese potrebbero arrivare”, ha detto Higginson. “Può risultare che quando si passa a una corrente più alta, all’improvviso si inizia a respingere l’instabilità. Vogliamo essere in grado di dimostrare che con l’aumento della corrente è possibile mantenere un’elevata qualità e stabilità”.