Electrohydraulic Shock-Induced Plasma Pinch Dynamics and Fast Neutron Generation Using Novel Composite Refractory Electrodes
本研究は、重水中で電気水力衝撃放電を受けた際、静水圧成形された炭化タングステン／リチウム6水素化物（または純リチウム6）マトリックスからなる複合耐火電極が、100 GPaおよび3500万ケルビンを超える極限プラズマ状態を生成し、それによって14.1 MeVの中性子とヘリウム灰の測定可能な収率を生じさせ、水素化物構成と金属リチウム構成の両方が同等の核および熱的シグネチャーを示すことを実証するものである。
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高エネルギー物理学という極限の世界において、研究者たちはしばかに、星の深部や核兵器の内部で見られるような条件を、極めて小さく制御されたスケールで再現しようと試みています。これを行うためには、物質を激しく圧縮してプラズマ、つまり原子から電子が剥ぎ取られた超高温状態へと変化させなければなりません。これを実現する一般的な方法は、液体に巨大な電気のバーストを送り込み、衝撃波を作り出して、その結果生じるプラズマを凝縮された輝く細い糸へと押し込めることです。「ピンチ」として知られるこのプロセスは、強烈な熱と圧力を発生させ、時には核反応を引き起こすほど十分に高温になります。課題は常に、実験が始まる前に電気による最初の爆発に耐え、かつ核反応を起こすために必要な特定の成分を保持できる材料を見つけることでした。科学者たちは長い間、硬くて耐熱性のあるセラミックスと、リチウムのような軽くて揮発性の高い元素を混合することに苦労してきました。なぜなら、通常、熱によってそれらが実験開始前に分離したり崩壊したりしてしまうからです。
ウクライナと米国の研究チームは、タングステンカーバイドとリチウムの特殊な混合物からなる新しいタイプの電極を用いて、これらの障壁を克服する方法を実証しました。彼らはまず、非常に硬いことで有名な材料である工業グレードのタングステンカーバイドの粉末を取り、それをリチウムの希少同位体を含む化合物であるリチウム6ヒドリドと混合することから始めました。通常、これら二つを一緒に焼き合わせようとすると、セラミックスが融合するずっと前にリチウム化合物が蒸発してしまうため失敗します。しかし、研究チームは巨大な油圧プレスを使用して、混合物を7.6ギガパスカルルの圧力下で加熱しながら圧縮しました。この極限の圧力はシールドのような役割を果たし、リチウムの脱出を防ぎ、材料をほぼ欠陥のない、内部に微細な穴がほとんどない、ほぼ完璧なナノ構造のブロックへと強制的に融合させました。彼らは、リチウムヒドリド化合物を含むものと、純粋な金属リチウムを含むものの2種類のブロックを作成し、リチウムの化学形態が重要かどうかを確認しました。
これらの新しい電極は重水で満たされたチャンバー内に配置され、マイクロ秒未満の突然の高電圧電流のバーストにさらされました。電極に電気が流れると、表面が瞬時に蒸発し、その直後に自身の磁場によって小さな超高密度な糸へと絞り込まれるプラズマのチャネルが形成されました。この圧縮は非常に激しく、100ギガパスカルルを超える圧力を発生させました。これは地球の大気圧の100万倍以上の圧力です。この極小の超高温コア内部では、温度は約3500万ケルビンに達しました。これらの温度において、原子から電子が剥ぎ取られ、プラズカは電荷を帯びた粒子の沸き立つスープとなりました。研究者たちはこのコアから放出される光を測定し、電子が核反応を駆動するのに十分なエネルギーを持って動いていることを確認しました。
最も重要な発見は、実際にこれらの反応が起こったことでした。プラズマが形成されると、高速で飛び出す亜原子粒子である高速中性子のバーストが発生しました。チームはこれらの粒子が短い距離を移動する時間を測定することで、約1410万電子ボルトのエネルギーを持っていることを突き止めました。この特定のエネルギーシグネチャーは、重水に含まれる水素の重い同位体である重水素と、電極内のリチウム6との間の核融合反応の特徴です。実験では、1回のパルスごとに約12万個のこれらの中性子が発生しました。これらの中性子が核反応に由来するものであり、単なるランダムなノイズではないことを確認するために、チームはショット後にチャンバーに残ったガスも分析しました。その結果、リチウムと重水素が融合した後に残るはずの特定の「灰」あるいは副産物であるヘリウム3とヘリウム4の明確な証拠が見つかりました。
おそらく最も驚くべき結果は、リチウムの化学形態が結果に影響を与えなかったことです。研究者たちは、リチウムヒドリド化合物で作られた電極をテストし、純粋な金属リチウムで作られた電極と直接比較しました。一方は化合物として始まり、もう一方は純粋な金属であったにもかかわらず、両者はほぼ同一の結果を生み出しました。これらは同じ極限の温度、同じ押しつぶすような圧力、そして同じ数の中性子を発生させました。データによれば、これら二つの材料の差は、実験の自然な変動の中に消失してしまうほど微小でした。このことは、極限の衝撃波が到達すると、初期の化学結合が非常に速く崩壊するため、リチウムがヒドリドとして始まったか金属として始まったかにかかわらず、プラズマは同様に振る舞うことを示唆しています。
この研究はまた、これらの新しい複合材料が驚異的な耐久性を持っていることも明らかにしました。標準的な粗粒材料を用いた従来の実験では、放電による熱ストレスによって電極が砕けたり割れたりすることがよくありました。対照的に、これらの新しいナノ構造電極は、緩やかに、かつ均一に侵食され、1回のショットにつきわずか1ミクロンの材料しか失いませんでした。この激しい破壊ではなく、均一な摩耗は、材料が高エネルギープラズマ生成という過酷な環境に耐えられることを証明しています。研究者たちは、高圧固結を用いてこれらのユニークな複合材料を作成することで、液体環境における核融合反応を引き起こすために必要な極限条件に耐えうるコンポーネントの作成に成功したと結論付けました。この研究は、より強固な電極を作成するための明確な道筋を示しており、リチウムの具体的な初期形態よりも、初期の衝撃に耐え、極限の圧力下でその構造を維持できる能力の方が重要であることを示しています。
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