金刚石熔化测量有望提升聚变增益
摘要
Lawrence Livermore美国国家实验室研究人员通过激光驱动动态压缩实验，首次用X射线衍射测量了冲击压缩金刚石直至熔化的过程，解决了实验与理论之间约20%的长期差异。该发现有望通过优化第一冲击波强度，将惯性约束聚变能量增益提高三倍。
Lawrence Livermore美国国家实验室的研究人员测量了金刚石在极端压力下的熔化过程，解决了实验与理论之间长期存在的差异。在惯性约束聚变实验中，金刚石胶囊用于容纳燃料，对金刚石相变的这一更精细理解有可能将能量增益提高三倍，前提是其他退化机制能够得到控制。
LLNL科学家Marius Millot表示：“我们能够取微小的金刚石样品，将其冲击压缩到比太阳表面更热的温度、比海王星和天王星中心更高的压力，并且仍然能够测量原子结构、温度、密度和光学反射率。”
实验：该团队在University of Rochester的激光能量学实验室进行了激光驱动动态压缩实验，在十亿分之一秒内压缩了一个微小的金刚石样品，并捕获了诸如揭示原子结构的X射线衍射数据等信息。结果于昨日发表在《Nature Physics》上。
Millot说：“这是首次用X射线衍射对冲击压缩的金刚石进行探测，一直探测到熔化。”“这些测量极其困难，因为碳是一种小而轻的原子。它散射的X射线非常少，因此我们需要测量的信号相当微弱。”
解决一个悬而未决的问题：理论学家在过去20年里一直试图重现LLNL实验室科学家Jon Eggert及其同事进行的金刚石熔化温度测量。无论他们如何尝试，始终存在约20%的差异。然而，LLE的测量结果与模拟几乎完全吻合。
Eggert说：“虽然发现我们最初的温度测量偏差超过1000开尔文令人沮丧，但看到我们新诊断方法带来的数据质量如此显著的提升，令人兴奋。”
提高ICF能量增益：在LLNL——National Ignition Facility的所在地——理解金刚石在这些极端条件下的行为与探索惯性约束聚变密切相关，在惯性约束聚变中，微小的金刚石胶囊用于容纳氘氚燃料混合物。
激光用于向胶囊发送一系列冲击波，然后压缩燃料。在足够的压缩下，将发生聚变驱动的内爆。但这是一个精确的操作：如果金刚石熔化不均匀，就会改变施加到燃料上的压力方式，而这些畸变可能会被流体动力学不稳定性放大。
Millot告诉《Nuclear News》：“如果不均匀性变得过于重要，内爆将被破坏，燃料将无法被充分压缩和加热以实现点火。”
为避免这种情况，NIF一直在使用一种强的第一冲击波，该冲击波保证能熔化金刚石，从而避免这种退化机制。Millot表示，2000年代初期的研究发现，接近12 Mbar的第一冲击波可以实现这一点，并留有一定裕度。强冲击波还允许激光脉冲更短、更可控，在hohlraum充满等离子体之前击中目标，此后激光能量就更难沿胶囊赤道方向引导。
据Millot称，缺点是更强的第一冲击波会提高熵，降低最大理论压缩比，进而降低最大理论能量产额。如果使用较慢的第一冲击波，燃料将更具可压缩性，从而允许更大比例的燃料在解体前燃烧。
Millot表示，NIF尚未广泛探索使用较慢第一冲击波的金刚石烧蚀体内爆，但凭借他们对金刚石相变的新理解，团队可能很快就会尝试。根据论文的补充信息，该工作支持将第一冲击波从33–34 km/s降低到24.5 km/s。
他说：“我们已经开始设计实验来测试这一点。凭借NIF激光系统卓越的能力，调节第一冲击波非常容易实现。挑战主要在于确保我们理解hohlraum中的流动和激光-等离子体相互作用，以保持内爆的球对称性，即使激光脉冲延长约1纳秒。”