Лазер обеспечивает ядерный синтез с рекордной эффективностью

Ядерный синтез, процесс, который управляет нашим Солнцем, происходит, когда ядерные реакции между легкими элементами производят на свет более тяжелые. Теперь это удалось достичь в меньших масштабах — в лаборатории Университета штата Колорадо.

Используя компактный, но мощный лазер для нагрева массивов упорядоченных нанопроволок, ученые и сотрудники CSU продемонстрировали микромасштабное ядерное слияние в своей лаборатории. Они достигли рекордной эффективности для генерации нейтронов без зарядных субатомных частиц в результате процесса слияния. Их работа подробно описана в статье, опубликованной в «Nature Communications», и ее возглавляет Хорхе Рокка (Jorge Rocca), выдающийся профессор электротехнической и компьютерной техники и физики. Первым автором статьи является Олден Кертис.

Лазерные эксперименты по слиянию обычно выполняются с помощью лазеров стоимостью миллионы долларов, размещенных в зданиях размером с стадион. Такие эксперименты обычно ориентированы на использование сплава для получения чистой энергии.

Напротив, команда Рокки, состоящая из ученых-исследователей, работает с ультра быстрым, мощным компактным лазером, который они построили с нуля. Они используют свой быстрый импульсный лазер для облучения цели из невидимых проводов и мгновенно создают чрезвычайно горячую, плотную плазму — с условиями, приближающимися к тем, которые находятся внутри Солнца. Такая плазма приводит к реакциям слияния, выделяя гелий и вспышки энергетических нейтронов.

В эксперименте Nature Communications команда произвела рекордное количество нейтронов на единицу энергии лазера — примерно в 500 раз лучше экспериментов, в которых используются обычные плоские мишени из одного и того же материала. Целью их лазера была серия нанопроволок, сделанных из материала, называемого дейтерированным полиэтиленом. Материал похож на широко используемый полиэтиленовый пластик, но его общие атомы водорода замещены дейтерием, более тяжелым видом атома водорода.

«Мы измеряем до 2^×106 нейтронов слияния на джоуль, увеличение примерно в 500 раз по отношению к плоским твердотельным мишеням, Это рекордный выход для лазеров. Кроме того, в соответствии с прогнозами моделирования мы наблюдаем быстрое увеличение выхода нейтронов с энергией лазерного импульса.»

Усилия были поддержаны интенсивными компьютерными симуляциями, проведенными в Дюссельдорфском университете (Германия).

Создание термоядерных нейтронов в небольших масштабах, может привести к прогрессу в нейтронной визуализации и в нейтронных зондах, чтобы получить представление о структуре и свойствах материалов. Полученные результаты также способствуют пониманию взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с веществом.

Больше информации: Alden Curtis et al, Micro-scale fusion in dense relativistic nanowire array plasmas, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03445-z