在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施(NIF)进行的一项实验已经达到了聚变中子总产量1.9x10^16和54 kJ的聚变能量输出——这是之前记录的两倍。LLNL惯性约束计划(ICF)的研究人员将在本周发表的《物理评论快报》上的一篇论文中详细阐述这一结果。

核聚变能够为太阳、恒星和现代核武器提供巨大的能量,NIF就专为核聚变点火和热核燃烧的实验研究而设计,它是世界上规模最大、能量最强的激光器。作为美国国家核安全局储备管理计划的重要组成部分,NIF的实验使研究人员能够对核反应中的极端温度,压力和密度有基本的了解——这些知识有助于确保当前和未来的核储备是安全和可靠的。

这个破纪录的实验使用了一个钻石胶囊——含有氘氚(DT)聚变燃料的超薄高密度碳壳——置于一个贫化的铀气腔中。研究人员使用这种方法大幅提高了对驱动胶囊的X射线的对称性的控制,从而产生“更圆”和更对称的内爆。

“这些结果代表了重大的进步,”这篇论文的第一作者、首席研究员Sebastien Le Pape说。“通过控制内爆的均匀性,我们改善了热点的压缩,使得热点的压力和区域密度达到了前所未有的水平。”

除了输出提高,实验还产生了其他关键的结果。热点压力第一次达到了360 Gbar(3600亿大气压)数量级,超过了太阳中心的压力。此外,这些创纪录的输出意味着α粒子聚变创纪录地增加了热点的能量。通过沉积而不是逸出它们的能量,α粒子进一步加热燃料,增加聚变反应的速率并因此产生更多的α粒子。这导致在这些实验中产量几乎增大了3倍。随着内爆得到进一步的改善,这种产量放大最终可能实现聚变点火。

“由于这些内爆所达到的极端压缩水平,我们现在正处于实现“等离子体燃烧”态的门槛上,其中等离子体中的α粒子沉积是该等离子体中主要的热量来源。” ICF计划首席科学家Omar Hurricane说。

NIF主任Mark Herrmann补充道:“我们所做的每一个实验都揭示了重要的数据,这些数据告知我们如何设计和实施未来的实验。这些结果代表了我们知识的重大进步,将使我们在应对点火问题这一困难的科学挑战方面更进一步。”

此外,这些实验还满足了一些苛刻的条件,使人们能够研究一系列的核物理与天体物理的机制。热点的密度、温度和压力极其接近太阳内部水平,并且中子密度现在也适用于核合成研究,而这些研究传统上需要一个高强度的、基于实验室的中子源。这些条件也与研究基本核武器物理学有关。

其他的实验显示出相似的性能水平,证实了这种方法的重要性。展望未来,LLNL计划通过探索增加胶囊的尺寸、NIF的能量输送以及胶囊充填管等功能的改进来推进其实验。

“每次取得进展,我们都可以更好地理解未来面临的挑战,”实验的首席设计师Laura Berzak Hopkins说。 “现在,我们处于一个令人兴奋的地方,我们比以前更加了解我们的系统,并且我们已经能够将了解转化为更高的性能。我对我们所取得的进展以及下一步的行动感到非常兴奋。“

来源: https://www.llnl.gov/news/nif-achieves-record-double-fusion-yield

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