Experimental observation of fusion burn history with pico-second time resolution in inertial confinement fusion research
Questo studio dimostra un nuovo strumento diagnostico ultra-rapido che utilizza l'effetto Stark di un sensore a polimero elettro-ottico con un laser di sonda a impulsi chirpati, raggiungendo una risoluzione temporale di 2 ± 0,5 ps che ha misurato con successo una durata della combustione da fusione di 16–20 ps nelle implosioni deuterio-deuterio, stabilendo così una tecnica di prossima generazione per il controllo della combustione da fusione nella ricerca sulla fusione a confinamento inerziale.
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Per decenni, gli scienziati hanno cercato di sfruttare la potenza che alimenta le stelle, un processo noto come fusione nucleare. L'obiettivo è comprimere gli atomi così strettamente e riscaldarli così intensamente da farli fondere, rilasciando enormi quantità di energia pulita. In un ambiente di laboratorio, ciò viene spesso tentato schiacciando una minuscola pastiglia di combustibile con potenti laser, un metodo chiamato fusione a confinamento inerziale. Quando il combustibile si accende, crea una breve ed estremamente calda esplosione di plasma. La chiave per rendere questo processo una fonte di energia pratica risiede nel controllare quell'esplosione. Se il combustibile brucia troppo velocemente o troppo lentamente, l'energia viene sprecata. Per capire come controllarlo, i ricercatori devono osservare la combustione avvenire in estremo rallentatore, catturando l'istante esatto in cui il fuoco inizia, raggiunge il picco e si spegne. Finora, gli strumenti disponibili per osservare questo processo erano troppo lenti, trasformando l'evento in un unico lampo indistinto.
Un team di ricercatori ha ora costruito una telecamera abbastanza veloce da vedere chiaramente questo momento fugace. Lavorando presso strutture laser in Giappone, hanno sviluppato un nuovo modo per misurare la storia di una combustione da fusione con una precisione misurata in picosecondi. Un picosecondo è un millionesimo di miliardesimo di secondo (un trilionesimo di secondo). Per dare un termine di paragone, un picosecondo è al secondo come un secondo lo è a circa trentadue anni. Questo livello di velocità è necessario perché la combustione della fusione in un tipico esperimento dura solo circa quaranta picosecondi. I ricercatori hanno utilizzato con successo il loro nuovo dispositivo per registrare l'intera vita di una reazione di fusione, misurando quanto a lungo è bruciato il combustibile con una chiarezza precedentemente impossibile.
Il cuore di questo traguardo è un sensore realizzato con un materiale plastico speciale che cambia il modo in cui lascia passare la luce quando colpito da campi elettrici. Quando avviene una reazione di fusione, questa emette particelle ad alta velocità come neutroni e protoni. Queste particelle colpiscono il sensore, creando un campo elettrico minuscolo e fugace all'interno della plastica. Questo campo altera istantaneamente il modo in cui la plastica assorbe un raggio di luce che vi passa attraverso. Per catturare questo cambiamento di un istante, il team ha utilizzato un raggio laser che è stato allungato nel tempo, come un lungo nastro colorato. Mentre le particelle di fusione colpivano il sensore, hanno causato un'increspatura nel modello di colore della luce. Leggendo questo schema, i ricercatori potevano ricostruire esattamente quando sono arrivati le particelle e quanto è durata l'ondata.
Il team ha testato questo sistema utilizzando due diversi allestimenti laser. Per prima cosa, hanno utilizzato un laser potente per generare un impulso di elettroni veloci per verificare la velocità di reazione del sensore. I risultati hanno mostrato che il sistema poteva risolvere eventi brevi quanto due picosecondi, confermando che era abbastanza veloce per il compito. Successivamente, si sono rivolti a un esperimento di fusione in cui hanno schiacciato un piccolo guscio di plastica deuterata con i laser. Questa implosione ha creato un impulso di neutroni e protoni da fusione. Il sensore ha catturato l'arrivo di queste particelle e ha registrato la durata della combustione. I dati hanno rivelato che il combustibile è bruciato per un periodo compreso tra sedici e venti picosecondi. Questa è una scoperta significativa perché è molto più breve di quanto suggerito da alcuni rilevatori più vecchi e più lenti, e si allinea strettamente con quanto previsto dalle simulazioni al computer per questo specifico tipo di esperimento.
I ricercatori hanno anche notato che il sensore poteva distinguere i tipi di particelle che lo colpivano. I neutroni producevano un segnale che andava in una direzione, mentre i protoni ne producevano uno nella direzione opposta. Questa capacità di distinguere tra diverse particelle senza la necessità di complessi campi magnetici o schermature è un grande vantaggio. Il team ha confermato che le loro misurazioni corrispondevano alle previsioni teoriche su quanti particelle venissero prodotte e come viaggiassero, conferendo loro la certezza che il dispositivo funzioni correttamente. Sebbene l'esperimento sia stato condotto su una scala più piccola rispetto alle enormi strutture utilizzate per la ricerca sulla fusione su larga scala, la sensibilità del nuovo sensore è sufficiente per gestire le esplosioni molto più grandi previste in quei futuri test.
Questo lavoro rappresenta un passo avanti critico nella ricerca dell'energia da fusione. Fornendo una visione chiara e ad alta velocità del processo di combustione, gli scienziati possono ora testare i loro modelli al computer contro dati reali con una precisione molto maggiore. Se i modelli possono essere affidati per prevedere il comportamento del combustibile, i ricercatori possono progettare bersagli e laser migliori per raggiungere le combustioni stabili e ad alta energia necessarie per una centrale elettrica. Il nuovo sensore agisce come un occhio ad alta velocità, permettendo finalmente agli scienziati di vedere i dettagli intricati del fuoco della fusione, avvicinandoli all'obiettivo di controllare la potenza delle stelle.
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