High-spatial-resolution measurement of hotspot electron temperature distribution in inertial confinement fusion implosions

Stel je voor dat je probeert het hart van een ster te begrijpen, maar je kunt het niet aanraken en het bestaat slechts voor een miljardste van een seconde. Dit is de dagelijkse uitdaging voor wetenschappers die werken aan inertie-confinement fusie, een vakgebied dat zich wijdt aan het repliceren van de kracht van de zon hier op aarde. Het doel is om een klein korreltje brandstof zo hard samen te persen dat het zo heet en dicht wordt dat de atomen samensmelten, waarbij enorme hoeveelheden schone energie vrijkomen. Om dit te laten gebeuren, bestoken onderzoekers het brandstofkorreltje vanuit alle richtingen met krachtige lasers, waardoor een implosie ontstaat die de kern samenperst tot een "hotspot". Voor dit proces om te werken, moet de brandstof extreme temperaturen bereiken en perfect uniform blijven. Als de brandstof mengt met de buitenste schil van de capsule, of als de temperatuur op verschillende plaatsen wild varieert, mislukt de reactie. Jarenlang waren wetenschappers in staat om de algemene vorm van deze brandende kern te zien, maar de details bleven wazig, alsof men door een beslagen raam de kleine lettertjes probeert te lezen.

Een team van onderzoekers heeft die mist nu opgeklaard. Door een nieuwe manier te ontwikkelen om naar deze vluchtige explosies te kijken, hebben ze de eerste hoogresolutiekaart van de elektronentemperatuur binnen de hotspot vastgelegd. Elektronen zijn de kleine, snel bewegende deeltjes die de warmte in dit plasma dragen, en precies weten hoe heet ze op verschillende plaatsen zijn, vertelt wetenschappers of de brandstof efficiënt brandt of dat het wordt verpest door onzuiverheden. Het team, werkend bij een grote laserfaciliteit in China, slaagde erin details van slechts 5 micrometer te zien. Om dit in perspectief te plaatsen: een menselijke haar is ongeveer 100 keer breder dan het kleinste kenmerk dat zij konden resolveren. Dit niveau van detail is een significante sprong voorwaarts, aangezien eerdere instrumenten alleen kenmerken konden zien die ongeveer vijf keer groter waren.

Het experiment hield in dat 32 krachtige laserstralen in een kleine, met goud gevoerde cilinder werden geschoten, een hohlraum genoemd. Binnenin deze cilinder bevond zich een klein capsule gevuld met deuteriumgas, een zware vorm van waterstof die als brandstof wordt gebruikt. De lasers verhitten de gouden wanden, die vervolgens gloeien met intense röntgenstraling. Deze röntgenstraling perst de capsule van buiten naar binnen, waardoor de capsule implodeert en het gas binnenin opwarmt. Op het moment van maximale compressie werd het gas een verzengend plasma dat zijn eigen röntgenstraling uitzendt. Om te zien wat er binnenin gebeurde, gebruikten de onderzoekers een gespecialiseerde microscoop gemaakt van twee gebogen spiegels, bekend als een Kirkpatrick-Baez systeem. Dit apparaat fungeerde als een hogesnelheidscamera, maar in plaats van een foto te maken met zichtbaar licht, legde het de röntgenstraling vast die werd uitgezonden door de hete elektronen.

Om de temperatuurkaart te verkrijgen, nam het team niet zomaar één foto. Ze maakten twee beelden van dezelfde explosie op exact hetzelfde moment, maar ze filterden het licht anders. Eén set spiegels legde röntgenstraling vast met een hogere energie, terwijl de andere röntgenstraling met iets lagere energie vastlegde. Omdat de helderheid van de röntgenstraling verandert afhankelijk van hoe heet de elektronen zijn, maakte het vergelijken van de twee beelden het voor de wetenschappers mogelijk om de temperatuur op elk afzonderlijk punt te berekenen. Het is vergelijkbaar met hoe een arts twee verschillende soorten röntgenfilters kan gebruiken om zacht weefsel versus bot te zien, maar hier onthulde het verschil in de "kleur" van het licht de hitte. Door de twee beelden zorgvuldig op elkaar af te stemmen en de verstoringen veroorzaakt door de spiegels en filters te verwijderen, reconstrueerden ze een gedetailleerde, tweedimensionale kaart van de hitteverdeling.

De resultaten onthulden een verhaal dat verborgen was in de waas van oudere metingen. De hotspot was geen gladde, uniforme vuurbal. In plaats daarvan toonde de temperatuurkaart een grillig landschap met vijf duidelijke pieken waar de elektronen aanzienlijk heter waren dan hun omgeving. Deze hete plekken bevonden zich nabij de rand van de brandende kern en waren ongeveer 5 micrometer breed. De onderzoekers ontdekten dat deze pieken geen willekeurige fouten waren; ze werden waarschijnlijk veroorzaakt door kleine hoeveelheden materiaal van de buitenste schil die zich mengden met de brandstof. Wanneer het zware materiaal van de schil, bestaande uit koolstof en waterstof, mengt met de lichte brandstof, creëert dit gelokaliseerde regio's waar de fysica verandert, wat leidt tot deze onverwachte temperatuurpieken. Het team schatte dat de hoeveelheid gemengd materiaal in deze specifieke hete regio's verrassend hoog was, wat suggereert dat de implosie niet zo schoon was als eerder gedacht.

Om er zeker van te zijn dat deze bevindingen echt waren en niet slechts een artefact van de camera, draaiden de wetenschappers computersimulaties om te zien hoe de beelden eruit zouden zien als hun theorie correct was. Ze bouwden een model van de implosie dat kleine zakken van gemengd materiaal bevatte en simuleerden hoe de röntgenstraling door hun microscoop zou verschijnen. De gesimuleerde beelden kwamen bijna perfect overeen met de echte experimentele foto's, wat bevestigde dat de temperatuurpieken inderdaad werden veroorzaakt door lokale menging. Ze vergeleken hun resultaten ook met een eenvoudiger, eendimensionaal model van de explosie, dat een gemiddelde temperatuur gaf die overeenkwam met hun gedetailleerde kaart. Deze consistentie gaf hen vertrouwen dat hun nieuwe methode correct werkte en dat de onregelmatigheden die ze zagen werkelijke fysieke kenmerken van de implosie waren.

De implicaties van dit werk zijn diepgaand voor de toekomst van fusie-energie. Begrijpen waar en hoe de brandstof precies mengt met de schil is cruciaal voor het ontwerpen van betere capsules die de implosie kunnen overleven en een aanhoudende reactie kunnen ontsteken. Als de brandstof te veel mengt, sterft de reactie uit voordat deze zijn volledige vermogen kan vrijgeven. Door deze mengingsregio's met dergelijke helderheid te zien, kunnen wetenschappers nu hun theorieën testen over wat de menging veroorzaakt en hoe deze te stoppen. De onderzoekers identificeerden ook dat de randen van de hotspot veel koeler waren dan het centrum, een kenmerk dat eerder was gezien maar nu met veel grotere precisie werd gemeten. Deze koele rand is waarschijnlijk te wijten aan de gloed van het schilmateriaal dat nog niet volledig is weggebrand, wat de temperatuurmetingen kan verstoren als er geen rekening mee wordt gehouden.

Dit onderzoek vormt een pioniersstap in het diagnosticeren van de innerlijke werking van fusie-implosies. Door de grenzen van ruimtelijke resolutie te verleggen, is het team van het observeren van de algemene vorm van het vuur overgegaan naar het zien van de individuele vonken. Ze hebben een robuuste basis gelegd voor toekomstige experimenten, door aan te tonen dat het met de juiste instrumenten mogelijk is om de elektronendichtheid en de mate van menging met ongekende nauwkeurigheid te meten. Hoewel de weg naar een werkende fusiecentrale nog lang is, brengt deze nieuwe mogelijkheid om de onzichtbare details van de brandende kern te zien, wetenschappers een stap dichter bij het beheersen van de fysica van de sterren. Het werk suggereert ook een duidelijke weg vooruit: door nog meer filters en camera's te gebruiken, kunnen onderzoekers binnenkort deze temperaturen in drie dimensies in kaart brengen en volgen hoe ze in de loop van de tijd veranderen, waardoor een statische snapshot wordt veranderd in een bewegende film van het fusieproces.