Electrohydraulic Shock-Induced Plasma Pinch Dynamics and Fast Neutron Generation Using Novel Composite Refractory Electrodes
Questo studio dimostra che gli elettrodi refrattari compositi realizzati con matrici di carburo di tungsteno/idruro di litio-6 (o litio-6 puro) consolidate idrostaticamente, quando sottoposti a scariche di shock elettroidraulico in acqua pesante, generano condizioni di plasma estreme che superano i 100 GPa e i 35 milioni di Kelvin, le quali producono una resa misurabile di neutroni da 14,1 MeV e ceneri di elio, con entrambe le configurazioni di idruro e di litio metallico che esibiscono firme nucleari e termiche equivalenti.
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Nel mondo estremo della fisica delle alte energie, i ricercatori cercano spesso di ricreare le condizioni che si trovano nel cuore delle stelle o all'interno delle armi nucleari, ma su una scala minuscola e controllata. Per farlo, devono comprimere la materia in modo così violento da trasformarla in plasma, uno stato super-caldo in cui gli atomi vengono privati dei loro elettroni. Un modo comune per riuscirci è inviare un massiccio impulso di elettricità attraverso un liquido, creando un'onda d'urto che comprime il plasma risultante in un sottile filo luminoso. Questo processo, noto come "pinch" (strozzamento), genera calore e pressione intensi, talvolta sufficienti a innescare reazioni nucleari. La sfida è sempre stata trovare materiali che possano sopravvivere all'esplosione iniziale di elettricità senza sbriciolarsi, pur contenendo gli ingredienti specifici necessari per far avvenire quelle reazioni nucleari. Gli scienziati hanno lottato a lungo per mescolare ceramiche dure e resistenti al calore con elementi leggeri e volatili come il litio, perché il calore solitamente causa la loro separazione o rottura prima ancora che l'esperimento abbia inizio.
Un team di ricercatori provenienti dall'Ucraina e dagli Stati Uniti ha ora dimostrato un modo per superare queste barriere utilizzando un nuovo tipo di elettrodo realizzato con una miscela specializzata di carburo di tungsteno e litio. Hanno iniziato prendendo polveri di grado industriale di carburo di tungsteno, un materiale famoso per la sua durezza, e mescolandole con idruro di litio-6, un composto contenente un raro isotopo del litio. Normalmente, cercare di cuocere insieme questi due materiali fallirebbe perché il composto di litio vaporizzerebbe molto prima che la ceramica possa fondersi. Tuttavia, il team ha utilizzato una massiccia pressa idraulica per comprimere la miscela sotto una pressione di 7,6 gigapascal mentre la riscaldava. Questa pressione estrema ha agito come uno scudo, impedendo al litio di sfuggire e costringendo i materiali a fondersi in un blocco solido, nanostrutturato, quasi perfetto, con quasi nessun piccolo foro all'interno. Hanno creato due versioni di questi blocchi: uno contenente il composto di idruro di litio e un altro contenente litio metallico puro, solo per vedere se la forma chimica del litio importasse.
Questi nuovi elettrodi sono stati poi inseriti in una camera riempita di acqua pesante e sottoposti a un improvviso impulso di alta tensione sub-microsecondo. Quando l'elettricità ha colpito l'elettrodo, ha vaporizzato istantaneamente la superficie, creando un canale di plasma che è stato immediatamente compresso dal proprio campo magnetico in un sottile filo super-denso. Questa compressione è stata così violenta da generare pressioni superiori a 100 gigapascal, che sono più di un milione di volte la pressione dell'atmosfera terrestre. All'interno di questo nucleo minuscolo e super-riscaldato, la temperatura è salita a circa 35 milioni di gradi Kelvin. A queste temperature, gli atomi sono stati privati dei loro elettroni e il plasma è diventato una zuppa ribollente di particelle cariche. I ricercatori hanno misurato la luce proveniente da questo nucleo e hanno confermato che gli elettroni si muovevano con energia sufficiente per guidare reazioni nucleari.
La scoperta più significativa è stata che queste reazioni sono effettivamente avvenute. Quando il plasma si è formato, ha prodotto un'ondata di neutroni veloci, particelle subatomiche che volano a velocità incredibili. Misurando il tempo impiegato da queste particelle per percorrere una breve distanza, il team ha determinato che avevano un'energia di circa 14,1 milioni di elettronvolt. Questa specifica firma energetica è il segno distintivo di una reazione di fusione tra il deuterio, una forma pesante di idrogeno presente nell'acqua pesante, e il litio-6 all'interno dell'elettrodo. L'esperimento ha prodotto circa 120.000 di questi neutroni con ogni singolo impulso. Per confermare che questi neutroni provenissero da una reazione nucleare e non da semplice rumore casuale, il team ha anche analizzato il gas rimasto nella camera dopo lo sparo. Hanno trovato chiare prove di elio-3 ed elio-4, le specifiche "ceneri" o sottoprodotti che dovrebbero restare dopo la fusione di litio e deuterio.
Forse il risultato più sorprendente è stato che la forma chimica del litio non ha cambiato l'esito. I ricercatori hanno testato elettrodi realizzati con il composto di idruro di litio e li hanno confrontati direttamente con elettrodi realizzati con litio metallico puro. Nonostante uno fosse iniziato come un composto e l'altro come un metallo puro, entrambi hanno prodotto risultati quasi identici. Hanno generato le stesse temperature estreme, le stesse pressioni schiaccianti e lo stesso numero di neutroni. I dati hanno mostato che la differenza tra i due materiali era così piccola da essere persa nelle variazioni naturali dell'esperimento. Ciò suggerisce che, una volta che l'estrema onda d'urto colpisce, i legami chimici iniziali del litio si rompono così rapidamente che il plasma si comporta allo stesso modo, indipendentemente dal fatto che il litio sia iniziato come un idruro o come un metallo.
Lo studio ha anche rivelato che questi nuovi materiali compositi sono incredibilmente durevoli. In esperimenti precedenti utilizzando materiali standard a grana grossa, gli elettrodi spesso si frantumavano o si crepavano sotto lo stress termico della scarica. Al contrario, questi nuovi elettrodi nanostrutturati si sono erosi lentamente e uniformemente, perdendo solo circa un micron di materiale per ogni colpo. Questa usura uniforme, piuttosto che una rottura violenta, prova che il materiale può resistere all'ambiente brutale della generazione di plasma ad alta energia. I ricercatori hanno concluso che, utilizzando la consolidazione ad alta pressione per creare questi unici compositi, sono riusciti con successo a costruire un componente capace di sopravvivere alle condizioni estreme necessarie per innescare reazioni di fusione nucleare in un ambiente liquido. Questo lavoro fornisce una via chiara per la creazione di elettrodi più robusti per esperimenti di fisica delle alte energie, dimostrando che la forma iniziale specifica del litio è meno importante della capacità del materiale di sopravvivere allo shock iniziale e mantenere la propria struttura sotto pressione estrema.
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