Exceeding 1012 D-D flash neutrons in the 4.5-MA 1-MJ dense plasma focus FAETON-X

De Kleine Ster in een Doos

Stel je voor dat je de kracht van de zon probeert te recreëren hier op aarde. Dat is de droom van fusie-energie: het met enorme kracht tegen elkaar aan laten botsen van kleine atomen zodat ze samensmelten, waarbij enorme hoeveelheden schone energie vrijkomen. Maar de zon heeft zwaartekracht om alles bij elkaar te houden; wij niet. Daarom gebruiken wetenschappers gigantische machines om atomen met magnetische krachten samen te persen, waardoor een superhete, superdichte gasbal ontstaat die plasma wordt genoemd. Een van de meest slimme manieren om dit te doen, is met een apparaat genaamd een "Dense Plasma Focus". Denk aan een kosmische pinballmachine waarbij elektriciteit fungeert als de flippers, die een stroom geladen deeltjes in een strakke spiraal schiet. Wanneer ze in het midden tegen elkaar botsen, worden ze zo hard samengeperst dat ze fuseren, waarbij ze uitbarstingen van neutronen (kleine deeltjes) en röntgenstraling uitstoten.

Waarom geven we om deze kleine uitbarstingen? Nou, ze zijn niet alleen bedoeld om elektriciteit op te wekken (hoewel dat het ultieme doel is). Op dit moment zijn deze machines als superkrachtige zaklampen die kunnen testen hoe materialen en elektronica standhouden tegen intense straling. Dit is cruciaal voor het ontwerpen van ruimtevaartuigen die de diepe ruimte kunnen overleven of het bouwen van elektronica die niet doorbrandt tijdens een zonnestorm. De grote uitdaging is altijd efficiëntie geweest: het halen van de meeste "bang for the buck" door zo min mogelijk opgeslagen elektriciteit te gebruiken om de grootste, heetste compressie te creëren.

---

De FAETON-X: Een Bliksemstorm in een Fles

In dit artikel introduceert een team onderzoekers van Fuse Energy Technologies en verschillende universiteiten een nieuwe machine genaamd FAETON-X (of FX voor kort). Ze beschrijven het als de meest energie-efficiënte en hoogst-stroomsterkte machine van zijn soort ter wereld. Als je ooit een bliksemstorm hebt gezien, weet je dat de kracht van een blikseminslag afhangt van hoeveel spanning deze draagt en hoe snel deze de energie kan leveren. De onderzoekers wilden een machine bouwen die een enorme elektrische "schreeuw" kon leveren in een fractie van een seconde, waardoor plasma strakker dan ooit werd samengeperst.

De machine is gebouwd als een gigantische condensatorbank (eigenlijk een supergeladen batterij) die 1 MJ aan energie vasthoudt. Het gebruikt 20 condensatoren om deze kracht op te slaan, die vervolgens in één keer wordt vrijgegeven. Het doel was om een piekstroom van 4,5 MA (dat is 4,5 miljoen ampère!) door het plasma te duwen. Om dit in perspectief te plaatsen: een typische huishoudelijke stroomkring geleidt ongeveer 15 tot 20 ampère. Deze machine duwt het equivalent van de elektriciteit van honderdduizenden huishoudens door een buis in een fractie van een seconde.

Het geheime ingrediënt hier is efficiëntie. De onderzoekers maten een "figure of merit" van 4,5 MA/MJ. Dit betekent dat ze voor elke megajoule aan opgeslagen energie 4,5 miljoen ampère aan stroom krijgen. Dit is een recordbrekend aantal voor machines van deze omvang, waarmee ze andere vergelijkbare faciliteiten verslaat die meestal tussen de 2,35 en 3,25 MA/MJ presteren. Omdat de hoeveelheid neutronen die een machine produceert schaalt met de vierde macht van de stroomsterkte (wat betekent dat een kleine toename in stroom leidt tot een enorme explosie in neutronen), is deze efficiëntieverbetering een game-changer.

De Resultaten: Een Flits van Neutronen

Het team heeft de machine niet alleen gebouwd; ze hebben hem ook afgevuurd en geobserveerd wat er gebeurde. Ze voerden 229 schoten (proeven) uit tijdens hun inbeddingscampagne, waarbij ze het vermogen langzaam opschroefden terwijl ze leerden hoe ze de machine beter konden laten werken. Ze ontdekten dat naarmate ze de machine bleven afvuren, de elektroden binnenin werden "geconditioneerd"—essentieel gezuiverd en gladgestreken door de herhaalde uitbarstingen—wat hielp om het plasma strakker samen te persen en meer neutronen te produceren.

Hoewel de machine nog niet volledig "geconditioneerd" was (wat betekent dat er nog ruimte is voor verbetering), heeft het al zijn eigen ontwerndoelen overtroffen.

• Het Doel: Ze verwachtten ongeveer 5 × 10¹¹ neutronen per schot te krijgen.
• De Realiteit: Ze kregen consistent rond dat aantal, maar op hun beste schot (schot #224) maten ze een piekopbrengst van (1,27 ± 0,27) × 10¹² neutronen.

Dat is meer dan het dubbele van wat ze hoopten! Ze bereikten dit met deuteriumgas bij een druk van 10 Torr. De machine produceerde ook een "dynamics-induced pinch voltage" die piekte op 127 kV (kilovolt) vlak voordat het plasma stopte met bewegen en werd samengeperst. Deze hoge spanning is precies wat het team voorspelde zou gebeuren, wat bevestigt dat hun ontwerpfilosofie werkt.

Wat de Data Ons Vertelt

De onderzoekers gebruikten een reeks hoogtechnologische instrumenten om de actie te observeren, waaronder speciale camera's die röntgenstraling zien, sensoren die meten hoe snel het plasma beweegt, en detectoren die neutronen tellen. Ze vergeleken wat ze zagen met computersimulaties (met behulp van iets dat de "Lee code" wordt genoemd). De gegevens uit de echte wereld kwamen zeer goed overeen met de computermodellen, vooral wat betreft de beweging van het plasma en de energieoverdracht.

Een interessante bevinding ging over de "current sheath"—de laag plasma die naar binnen wordt geduwd. Aan het begin van de compressie was de sheath een beetje "diffuus" of verspreid, maar naarmate deze dichter bij het centrum kwam, werd deze compacter, waarbij meer van de stroom deelnam aan de uiteindelijke compressie. Dit gedrag verklaarde waarom de neutronenopbrengst zo hoog was. De machine produceerde ook fotonen (lichtdeeltjes) voornamelijk in het bereik van 250 tot 750 keV, wat een specifiek type hoogenergetische röntgenstraling is.

Wat Nu Volgt?

Het artikel is heel duidelijk over wat deze machine nu wel en niet kan. De machine is momenteel geoptimaliseerd voor D-D (Deuterium-Deuterium) fusie, wat zij hebben getest. Echter, het ontwerp is gebouwd om ook D-T (Deuterium-Tritium) fusie aan te kunnen. Het team berekent dat als ze overstappen op D-T brandstof, de machine potentieel rond de 5 × 10¹³ neutronen per schot zou kunnen produceren. Dat zou een enorme sprong zijn, waardoor het een krachtig hulpmiddel wordt om te testen hoe elektronica en materialen extreme straling kunnen overleven.

Ze vermelden ook dat de machine aangepast kan worden om met nog lagere drukken te werken om snelle deeltjesbundels te creëren, die gebruikt kunnen worden om D-7Li reacties te bestuderen. Dit zou nog snellere neutronen produceren (tot 14 MeV), die uitstekend zijn voor het simuleren van de barre stralingsomgevingen die in de ruimte of kernreactoren worden aangetroffen.

De auteurs merken er zorgvuldig bij op dat hoewel de resultaten indrukwekkend zijn, de machine nog steeds aan het "conditioneren" is. Ze verwachten dat met meer schoten en het verfijnen van de vormen van de elektroden (ze hebben al verschillende anodepunten en openingen geprobeerd), de neutronenopbrengst nog hoger zal worden, potentieel reikend naar hun doelstelling van 5 MA/MJ efficiëntie. Voor nu is FAETON-X een bewijs van concept dat een compacte, zeer efficiënte machine een "flits" van neutronen kan genereren die die van veel grotere, oudere faciliteiten evenaart, wat de deur opent voor betere stralingstesten en fusieonderzoek zonder dat daar een enorme elektriciteitscentrale voor nodig is.