Electrohydraulic Shock-Induced Plasma Pinch Dynamics and Fast Neutron Generation Using Novel Composite Refractory Electrodes
本研究表明，由水压固结的碳化钨/锂-6氢化物（或纯锂-6）基体构成的复合耐热电极，在重水中经受电水力冲击放电时，会产生超过 100 GPa 和 3500 万开尔文的极端等离子体条件，从而产生可测量的 14.1 MeV 中子和氦灰产额，且氢化物与金属锂配置均表现出等效的核能与热特征。
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在高能物理学的极端世界中，研究人员经常试图在微小的、受控的尺度上，重现深层恒星内部或核武器内部的条件。为了实现这一目标，他们必须剧烈地压缩物质，使其转化为等离子体——一种超热的状态，在这种状态下，原子会被剥离电子。实现这一目标的常用方法是向液体中发送巨大的电流脉冲，从而产生冲击波，将产生的等离子体挤压成一根紧密且发光的细丝。这种被称为“箍缩”（pinch）的过程产生了剧烈的热量和压力，有时甚至足以触发核反应。长久以来的挑战在于，寻找既能承受初始电流爆炸而不崩塌，又能容纳制造这些核反应所需特定成分的材料。科学家们长期以来一直难以将坚硬、耐热的陶瓷与轻质、易挥发的元素（如锂）混合在一起，因为高温通常会在实验开始之前就导致它们分离或破碎。
来自乌克兰和美国的的一个研究小组现在展示了一种利用由碳化钨和锂组成的特种混合物制成的全新电极来克服这些障碍的方法。他们首先取工业级的碳化钨粉末，并将其与含有稀有锂同位素的氢化锂化合物进行混合。通常情况下，尝试将这两者一起烘烤会失败，因为氢化锂化合物会在陶瓷熔合之前就发生汽化。然而，该团队使用大型液压机在 7.6 吉帕斯卡尔的压力下对其进行加热挤压。这种极高的压力起到了屏蔽作用，防止了锂的逃逸，并迫使这些材料熔合成为一个几乎完美的、近乎无孔的纳米结构固体块。他们制作了两个版本的此类块体：一个包含氢化锂化合物，另一个包含纯金属锂，以观察锂的化学形式是否会产生影响。
这些新电戒被放置在充满重水的腔室内，并受到突然的、亚微秒级的高压电流冲击。当电流击中电极时，它会瞬间使表面汽化，产生一个通道，该通道随后立即被自身的磁场挤压成一个微小的、超高密度的细丝。这种压缩过程极其剧烈，产生的压力超过了 100 吉帕斯卡尔，这比地球大气压高出一百多万倍。在这个微小的、超热的核心内部，温度飙升至约 3500 万开尔文。在这些温度下，原子被剥离了电子，等离子体变成了一团沸腾的带电粒子汤。研究人员测量了来自该核心的光，并证实电子的运动能量足以驱动核反应。
最显著的发现是这些反应确实发生了。当等离子体形成时，它产生了一次快速中子爆发，这些亚原子粒子以惊人的速度飞出。通过测量这些粒子飞行短距离所需的时间，团队确定其能量约为 1410 万电子伏特。这一特定的能量特征是氘（存在于重水中）与电极内的锂-6 之间发生聚变反应的标志。实验在每一次脉冲中大约产生 120,000 个这样的中子。为了确认这些中子确实来自核反应而非随机噪声，团队还分析了射击后留在腔体中的气体。他们发现了清晰的氦-3 和氦-4 证据，这些正是锂和氘聚变后应该留下的特定“灰烬”或副产物。
或许最令人惊讶的结果是，锂的化学形式并未改变结果。研究人员测试了由氢化锂化合物制成的电极，并将其与由纯金属锂制成的电极进行了直接对比。尽管一个最初是化合物，而另一个是纯金属，但两者产生的效果几乎完全相同。它们产生了相同的极端温度、相同的巨大压力以及相同数量的中子。数据表明，两者之间的差异微乎其微，以至于在实验的自然波动范围内可以忽略不计。这表明，一旦极强的冲击波袭来，锂的初始化学键会迅速断裂，因此无论锂最初是以氢化物还是金属的形式存在，等离子体的行为都是相同的。
研究还表明，这些新型复合材料具有极高的耐久性。在以往使用标准粗晶材料的实验中，电极经常会在放电的热应力下破碎或开裂。相比之下，这些新型纳米结构电极的侵蚀缓慢且均匀，每次射击仅损失约一个微米的材料。这种均匀的磨损而非剧烈的开裂，证明了该材料能够承受产生高能等离子体的残酷环境。研究人员得出结论，通过使用高压固结技术来制造这些独特的复合材料，他们成功构建了一个能够承受在液体环境中触发核聚变反应所需的极端条件的组件。这项工作为开发更稳健的高能物理实验电极提供了一条清晰的路径，表明锂的具体起始形式并不如材料在极端压力下生存并保持其结构的能力那样重要。
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