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    惯性约束聚变内爆发生了什么?产生温度比太阳核心还要高出几倍!

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      爱因斯坦

      在峰值时,NIF惯性约束聚变(ICF)内爆持续约100万亿秒分之1秒,内爆燃料直径为百万分之一米,密度达铅的8倍,内爆腔的中心比太阳核心温度还要高几倍。在研究人员努力在世界上最大、能量最高的激光系统上实现聚变点火过程中,清楚地了解在这些极端条件下NIF惯性约束聚变内爆到底发生了什么,是科学家面临的最大挑战之一。

      惯性约束聚变内爆发生了什么?产生温度比太阳核心还要高出几倍!

      为了帮助应对这一挑战,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)及其合作实验室和大学已经设计和建造了十几种核诊断技术的广泛套件,还有更多正在进行中。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室物理学家Dave Schlossberg说:在诊断内爆时,想要的是了解关于内爆等离子体的一切,核诊断套件试图处理可以独立测量的不同参数,中子成像系统测量内爆的空间分布。

      惯性约束聚变内爆发生了什么?产生温度比太阳核心还要高出几倍!

      中子飞行时间诊断测量平均能量和漂移速度,伽马反应历史测量相对于时间的发射。通过收集这些信息,可以更好地了解内爆中发生的事情。物理学家凯利·哈恩(Kelly Hahn)补充说:一些诊断相互之间存在‘串扰’,有些提供了不同的(信息)片段,有些有相似的片段,我们可以把它们放在一起,组装成更全面的图景,如果想实现点火,核诊断是至关重要的。

      能效比

      提供内爆能效比的关键因素包括中子产额、离子(等离子体)温度和下散射比,通过与燃料中的氢同位素相互作用而散射高能中子和低能中子数量之间的比率,这是燃料密度和热点周围冷燃料分布的指示。同样重要的还有爆炸时间(表征内爆速度的中子发射峰值时间)和燃烧宽度(内爆产生中子的时间长度)。所有这些参数,以及其他参数,都是通过核诊断进行评估的。

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      核诊断小组组长阿拉斯泰尔·摩尔(Alastair Moore)说:核诊断基本上是真正测量燃料密度和温度的唯一诊断方法。它们对于了解把燃料组装得有多好,以及我们离点火有多近是非常关键的。在NIF ICF实验中,高达192束强大的激光束加热被称为“hohlraum”的圆柱形X射线“烤箱”。X射线压缩氢同位素,氘和氚(DT),部分冻结在一个悬浮在空腔内的微小胶囊中。

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      如果密度和温度足够高并持续足够长的时间,燃料将点燃并产生自我维持的热核反应,通过燃料扩散并释放大量能量,主要以高能中子的形式释放。内爆过程产生的温度和压力类似于恒星、巨行星和核爆炸内部的温度和压力。NIF惯性约束聚变是国家核安全局库存管理计划的关键组成部分,NIF实验推动了包括天体物理、材料科学和ICF在内的高能量密度(HED)科学研究。

      未知的未知

      NIF核诊断的一个特殊价值是:它们能够帮助回答研究人员甚至不知道自己有的问题,科学家们称之为“未知的未知”。例如,现在位于靶室周围的四个中子飞行时间探测器阵列显示,内爆中心的微小热点正以每秒约100公里速度漂移,这表明内爆不对称,这是性能下降的主要原因。

      物理学家埃德·哈图尼说:我们最初有两个光谱仪,加上第三个光谱仪,就有了观察运动和测量热点漂移速度的能力,这完全是意想不到的。这实际上需要相当长的时间才能被接受,这种对这些探测器告诉我们的解释。

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      研究还揭示了在内爆中正在发生一些没有人预料到的事情,热点可以移动,这相当令人惊讶。实际上,有第五台光谱仪即将上线,这将使科学家们有更好的能力来了解热点正在移动,是因为驱动的它是不对称的,还是因为微腔是不对称的,还是因为“hohlraum”是不对称的,所有这些可能导致糟糕的内爆能效比故障模式,都可以通过让多个光谱仪观察相同的内爆来直接诊断。

      惯性约束聚变内爆发生了什么?产生温度比太阳核心还要高出几倍!

      这还不是全部,在洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)中子成像团队的领导下,来自LANL、LLNL和罗切斯特大学激光能量实验室(LLE)的研究人员,现在增加了第三套中子成像系统NIS3,旨在提供内爆点火阶段燃烧的DT等离子体大小和形状的三维图像。热点的大小和燃料不对称性是由高能中子的图像确定,冷燃料的面密度,即Rho-R,是从下散射比推断出来的,面密度是实现点火和聚变燃烧的燃料最终配置的重要因素。LLNL物理学家David Fittinghoff说:随着NIF迈向更高的性能,理解这些内爆的三维本质变得至关重要。

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      对于之前的两条中子成像视线,研究人员不得不对内爆的对称性做出一个假设。现在有了新的NIS3,就有了三条正交视线,可以用来重建大量融合等离子,打个比方,可能就是看到一幅人的画像和实际在他的雕塑周围走动之间的区别。除了改进中子成像,NIS3还提供了成像伽马射线的视线,这些伽马射线是由内爆过程中残留目标胶囊材料中的碳与聚变中子非弹性散射产生的。这可以帮助研究人员确定胶囊材料与聚变燃料混合的数量和效果,聚变燃料是性能下降的已知来源。

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      而且又完成了另一次重大诊断升级,在目标室周围的战略位置安装了48个实时中子激活检测器(RT-NAD)阵列。早期的NADS被称为法兰NADS,当未散射的中子激活锆样品时起作用。将被激活的样品从小室中移走,并使用现场其他地方的核计数技术来确定激活水平。实时NAD探测器激活是在现场监测的,提供了更好的未散射中子产额角分布采样,周转更快,操作成本显著降低。

      惯性约束聚变内爆发生了什么?产生温度比太阳核心还要高出几倍!

      该系统提供近乎实时的中子注量分布测定,它的中子产额超过两到三个数量级,提供精确到2%或更好的总产额预测。由于爆炸压缩核心中的燃料厚度不同,所以整个燃烧室的中子产额各不相同。RT-NADS主要是一种方法,当微腔内爆炸时,它可以告诉我们燃料是如何分布在热点周围的。RT-NADS系统的负责科学家、诊断物理学家理查德·比昂塔(Richard Bionta)指出:探测器数量是法兰NADS系统的两倍,灵敏度是法兰NADS系统的五倍。

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      在旧系统中,只有一个探测器,20个冰球中的每一个都被放入探测器,所以需要5天的时间才能通过,(RT-NAD)肯定比过去的方式要好得多。理查德花了两年多时间开发管理该数据流的能力,有48个探测器,每10分钟读出一次,产生TB级的数据,需要试着分析这些数据,然后把照片重新拼凑起来,看看照片里发生了什么,大量的数据分析也是一项艰难工作,在这里为科学家们加油!

      博科园|研究/来自:劳伦斯利弗莫尔国家实验室

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      路漫漫其修远兮,吾将上下而求索

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