Jony podczas fuzji jądrowej zachowują się inaczej, niż przewidują teorie
Naukowcy z National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory zauważyli, że jony w reaktorze fuzyjnym zachowują się inaczej, niż wynika z obliczeń. Prowadzone w NIF badania dadzą lepszy wgląd w działanie reaktorów fuzyjnych, w których reakcja inicjowana jest za pomocą potężnych impulsów laserowych.
Specjaliści z całego świata próbują odtworzyć reakcje fuzji jądrowej zachodzące na Słońcu. Ich opanowanie dałoby ludzkości niemal nieograniczone źródło czystej energii. W NIF wykorzystuje się zespół 192 laserów, za pomocą których kompresuje się kapsułki z trytem i deuterem, zapoczątkowując fuzję jądrową. To koncepcja znana jako ICF (Inertial Confinement Fusion – inercyjne uwięzienie plazmy) Przed kilkoma dniami na łamach Nature Physics opublikowano artykuł, z którego dowiadujemy się, że zmierzona energia neutronów – przynajmniej podczas najbardziej intensywnej fazy fuzji – jest wyższa niż spodziewana.
To oznacza, że jony biorące udział w fuzji mają większą energię. To coś czego się nie spodziewaliśmy i nie byliśmy w stanie przewidzieć na podstawie standardowych równań opisujących ICF, mówi fizyk Alastair Moore, główny autor artykułu.
Eksperci nie są pewni, co spowodowało obserwowane zjawisko, podkreślają jednak, że to jeden z najbardziej bezpośrednich pomiarów jonów biorących udział w fuzji. Pomiary oznaczają, że teoretycy będą musieli zmodyfikować teorie i wzory, którymi posługują się specjaliści z NIF. Jest tutaj też powód do optymizmu. Dzięki lepszym teoriom wyjaśniającym obserwowane zjawiska, być może uda się opracować metodę zainicjowania długotrwałej samopodtrzymującej się reakcji.
Zaobserwowanie niespodziewanego zachowania jonów było możliwe dzięki opracowaniu nowej technologii detektorów, nazwanej Cherenkov nToF. Dzięki niej niepewność odnośnie prędkości neutronów wynosi zaledwie 5 km/s czyli 1/10 000. Średnia energia neutronów uzyskiwana podczas reakcji w NIF oznacza, że poruszają się one z prędkością ponad 51 000 km/s.
Jednym z możliwych wyjaśnień zaobserwowanego zjawiska jest stwierdzenie, że jony deuteru i trytu nie są w równowadze. Potrzebujemy bardziej zaawansowanych symulacji, by to zrozumieć. Współpracujemy na tym polu z Los Alamos National Laboratory, Imperial College London i MIT, dodaje Moore.
Komentarze (10)
peceed, 22 listopada 2022, 16:39
Raczej zachowują się inaczej, niż wynika z założeń do obliczeń.
Nie ma w tym nic dziwnego - fuzja zachodzi zbyt szybko aby mogło dojść do pełnej termalizacji plazmy.
Fuzja nie podnosi temperatury tylko dostarcza wielkich porcji energii które, cząsteczki dostają tą energię w sposób skumulowany i z dużym prawdopodobieństwem ulegną kolejnej fuzji zanim zdołają rozproszyć energię.
Zjawisko proste i raczej oczywiste.
peceed, 22 listopada 2022, 16:58
Jest dokładnie odwrotnie. To w tokomakach plazma ma czas na termalizację. Ale w przypadku "eksplozji" praktycznie cały czas mamy do czynienia z procesem nierównowagowym.
Zwłaszcza że "problem" pojawia sie w fazie najintensywniejszej syntezy
peceed, 22 listopada 2022, 21:01
Rozumowanie od d*py strony (Nie mówię że się nie da osiągnąć celu, oznacza to tylko tyle że człowiek strasznie się namęczy zanim coś trafi do żołądka
I choć czasami trzeba się namęczyć, to jednak warto przed obliczeniami znać wynik 
).
Tokomaki itp pracują w sposób kwazi-ciągły, a tu mamy pracę wybitnie impulsową na poziomie mikrowybuchów jądrowych.
Istotne jest to, że w tym drugim wypadku występuje zjawisko "samonagrzewania" od reakcji syntezy, i. generalnie przebieg temperatury ma formę grzebienia.
O ile dobrze rozumiem w tokomaku nie dochodzi do takiego zjawiska bo pod wpływem temperatury plazma się rozdyma, i dlatego ma postać bardziej "cefeidy" - krzywa wzrostu tempa reakcji jest wolniejsza od tempa reakcji układu. Tokamaki są "gwiazdami", a tu mówimy o mikro-supernowych. ( "Micronova" - piękna nazwa dla firmy ).
Notabene jestem oczarowany podejściem firmy FirstLight. Przypomina ono polską syntezę jądrową z lat 70 gdzie chcieliśmy wykorzystywać materiały wybuchowe wsparte laserami.
Fist Light zamiast materiałów wybuchowych używa pocisków hipersonicznych, co pozwala zrezygnować z dogrzewania laserami. To przypuszczalnie najlepszy sposób na budowę elektrowni termojądrowych, bo uzyskali już reakcję syntezy dla pocisków 6.5 km/s, a dużych problemów w skalowaniu prędkości pocisków nie ma. Podejście unika całej zabawy z plazmą, wielkimi polami magnetycznymi, laserami - po prostu miniaturowa bomba termojądrowa podgrzewa wnętrze reaktora, co 30 sekund.
Sama komora postać długiego obracającego się walca wypełnionego ciekłym litem, z pustą komorą w środku do której dostarczane są pociski (z jednej) i paliwo (z drugiej strony). Elegancja inżynieryjna absolutnie powala, pozbyto się wszystkiego co sprawiało trudność.
thikim, 23 listopada 2022, 14:01
Pomysł niezły ale chciałbym zobaczyć koszty/zyski. Elektrownia termojądrowa ma być urzadzeniem zyskownym a nie zabawką.
peceed, 23 listopada 2022, 14:39
To najtańsze podejście. Obywa się bez całej drogiej maszynerii jak lasery czy nadprzewodzące elektromagnesy o masie setek ton, zastępując ją działem. Jeśli zadziała, to musi być zarówno najtańsze jak i zyskowne.
Byłoby ironią losu że najprostsze rozwiązanie zaproponowano w praktyce jako ostatnie.
thikim, 23 listopada 2022, 15:13
Nawet najtańsze nie znaczy wystarczająco dobre w kategorii koszty/zysk.
Niemniej zapowiada się bardzo ciekawie. Jak pisałeś - wygląda na pomysł prosty w skalowaniu.
peceed, 23 listopada 2022, 19:06
Całe 50 neutronów. Co do prędkości - niby tak, ale przy dziale elektromagnetycznym to da się więcej.
Asteroidy uderzają z prędkocią 18 km/s, komety - 30 km/s. Jest zapas
Przecież były projekty wystrzeliwania satelitów na orbitę...
Powiedzmy że od "podstaw"
peceed, 24 listopada 2022, 05:12
Jedno co mnie zastanawia to ta cisza odnośnie radioaktywności trytu. Prawie 10 tyś. curie na gram!
Te elektrownie będą cholernie radioaktywne, z nieuniknionymi wyciekami.
Dla zabawy zastanowiłem się co by się stało, gdyby udało się zrobić miniaturkowe nuki fuzyjne inicjwane materiałami wybuchowymi. I wyszło, że dla bomby około 5 tonowej radioaktywność głowicy deuterowo-trytowej (w zapłon deuterku litu nie wierzę) to 150 curie. Nawet jeśli tylko 1% zostanie, to wciąż w miejscu trafienia mogą zostać poważne skażenia.
Cała elektrownia termojądrowa musi być uszczelniona, i najlepiej nie zawierać w sobie śladów pary wodnej.
Wraz ze wzrostem rozmiarów spada stosunek powierzchni ścianek do siły eksplozji. Moc maksymalna będzie ograniczona zdolnością litu do przyjmowania ciepła. A nie doczytałem jak chcą sobie radzić z oknami wlotowymi. Z drugiej strony - im większy ładunek uda się skompresować, tym łatwiejsza fuzja, ze względu na dłuższy czas. A ten będzie proporcjonalny do rozmiarów liniowych kapsułki. Więc z tym skalowaniem to nie do końca musi wyjść łatwo. I jeszcze jest kwestia niestabilności dla dużych kapsułek. Naiwna gładka fizyka pozwala kompresować dłużej, ale w praktyce są limity.
Więc wciąż może się okazać że jest to pomysł którego nie będzie się dało zrealizować.
l_smolinski, 1 grudnia 2022, 13:01
Lubię te wasz bajdurzenia.
Na słońcu nie ma żadnej fuzji i nigdy nie było. No, ale niedługo dzień dziecka, załóżmy, że jest
*Jest, ale nigdy tego nie odtworzymy - w sensie zysku energetycznego. Sprawa jest prosta. Nie dysponujemy darmową energią w postaci silnego pola grawitacyjnego, które pozwoliło by utrzymać w ryzach taką hipotetyczną fuzję. Można się rozejść. Z okazji dnia dziecka wybuduje się kolejną nikomu nie potrzebną zabawkę.
thikim, 1 grudnia 2022, 18:26
Owszem - dlatego to jest takie trudne.
Ale pomysłowość ludzka też jest wielka chociaż ograniczona.
Mnie ten pomysł interesuje w kontekście tego że wszystkie inne do tej pory uważam za nie mające szans właśnie z powodu braku tego darmowego silnego pola grawitacyjnego. Ale zauważ że jednak bombę termojądrową byliśmy w stanie skonstruować. Teraz jest kwetia skali bo żeby coś ogrzać potrzeba takich mikrowybuchów termojądrowych.
I ten pomysł jako że nowy - ma przynajmniej jakąś szansę realizacji.
W sumie ciekawi mnie gdzie w kwestii miniaturyzacji bomby termojądrowej napotkano granicę, czyli jak małą bombę termojądrową jesteśmy w stanie skonstruować.