Экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки для каждого выстрела:
(i) выделение протонного пучка с энергией 500 кэВ из исходного широкополосного спектра TNSA, генерируемого основным пучком,
(ii) генерация образца WDM пучком нагревателя,
(iii) измерение сдвинутого вниз энергетический спектр протонов выбранного пучка после прохождения через мишень WDM и
(iv) характеристика образца WDM с помощью диагностики SOP и XPHG. Типичные необработанные экспериментальные данные, полученные для каждого выстрела, показаны для магнитного спектрометра, а также для диагностики SOP и XPHG.
Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30472-8

Международная группа ученых открыла новый метод развития термоядерной энергии за счет более глубокого понимания свойств теплой плотной материи, экстремального состояния материи, похожего на то, что находится в сердце планет-гигантов, таких как Юпитер.

Результаты, полученные под руководством Софии Малко из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США, подробно описывают новый метод измерения «останавливающей способности» ядерных частиц в плазме с использованием сверхинтенсивных лазеров с высокой частотой повторения. Понимание тормозной способности протонов особенно важно для термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF).

Питание солнца и звезд

Этот процесс контрастирует с созданием термоядерного синтеза в PPPL, который нагревает плазму до температуры в миллионы градусов в установках с магнитным удержанием. Плазма, горячее заряженное состояние материи, состоящее из свободных электронов и атомных ядер или ионов, подпитывает реакции синтеза в обоих типах исследований, целью которых является воспроизвести на Земле синтез, питающий Солнце и звезды как источник безопасного, чистого и практически неограниченная энергия для производства электроэнергии в мире.

«Тормозная сила» — это сила, действующая на заряженные частицы из-за столкновений с электронами вещества, что приводит к потере энергии. «Например, если вы не знаете тормозную способность протонов, вы не можете рассчитать количество энергии, выделенной в плазме, и, следовательно, спроектировать лазеры с правильным уровнем энергии для создания термоядерного воспламенения», — сказал Малко, ведущий автор статьи, в которой излагается выводы в Nature Communications . «Теоретические описания тормозной способности в материи с высокой плотностью энергии и особенно в теплой плотной материи сложны, а измерения в основном отсутствуют», — сказала она. «Наша статья сравнивает экспериментальные данные о потере энергии протонами в теплом плотном веществе с теоретическими моделями тормозной способности».

В исследовании Nature Communications изучалась тормозная способность протонов в практически неизученном режиме с использованием низкоэнергетических ионных пучков и теплой плотной плазмы, создаваемой лазером. Для получения низкоэнергетических ионов исследователи использовали специальное устройство на основе магнита, которое выбирает низкоэнергетическую систему с фиксированной энергией из широкого спектра протонов, генерируемых взаимодействием лазеров и плазмы. Затем выбранный луч проходит через теплое плотное вещество, управляемое лазером, и измеряются его потери энергии. Теоретическое сравнение с экспериментальными данными показало, что наиболее близкое совпадение резко расходится с классическими моделями.

Вместо этого, по словам Малко, наиболее близкое согласие было получено в результате недавно разработанного моделирования из первых принципов, основанного на многочастичном или взаимодействующем квантово-механическом подходе.

Точные измерения остановки

Точные измерения остановки могут также способствовать пониманию того, как протоны производят то, что известно как быстрое воспламенение, усовершенствованную схему термоядерного синтеза с инерционным удержанием. «В быстром зажигании, управляемом протонами, где протоны должны нагревать сжатое топливо от очень низких до высоких температур, тормозная способность протонов и состояние материала тесно связаны», — сказал Малко.

«Тормозная способность зависит от плотности и температуры материального состояния», — объяснила она, и на то и другое, в свою очередь, влияет энергия, выделяемая протонным пучком. «Таким образом, неопределенность в тормозной способности ведет непосредственно к неопределенностям в общей энергии протонов и энергии лазера, необходимой для зажигания», — сказала она.

Малко и ее команда проводят новые эксперименты на объектах DOE LaserNetUS в Университете штата Колорадо, чтобы распространить свои измерения на так называемую область пика Брэгга, где происходят максимальные потери энергии и где теоретические прогнозы наиболее неопределенны.

Соавторами данной статьи стали 27 исследователей из США, Испании, Франции, Германии, Канады и Италии.