Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci použili nanodrátková pole, aby mohli excitovat co nejvíce deuteronů.
Američtí a němečtí fyzici odstartovali nový výzkum, který slibuje menší a levnější zdroje neutronů a nové možnosti pro simulace extrémních podmínek panujících v centru hvězd.
Jaderná fúze je úžasný zdroj energie, o kterém vědci hovoří už řadu desetiletí. Jenže zvládnout tento proces se stále úplně nedaří. Každý malý krůček vpřed je proto ve vědecké obci vítán s nadšením.
Vědecké týmy staví stále mohutnější lasery, aby mohly demonstrovat realizovatelnost jaderné fúze coby zdroje energie. National Ignition Facility (NIF) je nejsilnější laser na světě. Nachází se v Kalifornii a generuje 192 nezávislých paprsků světla, které dopadají na miniaturní granule zmrzlého vodíku. Jakmile se paprsek spustí, během pěti miliardtin sekundy se do vodíkové granule soustředí obrovská energie, která vytvoří teplotu 100 000 000 °C. Obrovská energie 1,87 MJ stlačí miniaturní granule deuteria a tricia až do bodu, kdy jádra splynou a emitují velké množství neutronů. Cílem je dosáhnout bodu zážehu, kdy alfa částice vzniklé při slučování jader poskytují tepelnou energii pro samovolnou reakci. Energie emitovaných neutronů je nakonec využitelná pro výrobu elektrické energie.
NIF je obrovské zařízení, které zabírá plochu tří fotbalových hřišť, přesto však není schopno dodávat elektřinu během celého dne. Aby se vyhnuli obrovským nákladům, dávají někteří vědci přednost laserům, které jsou méně energetické, avšak rychlejší. Ty se sice nikdy nedostanou do blízkosti bodu zážehu, ale mohou udržovat mimořádně velkou intenzitu díky extrémně krátké délce, a tudíž dosahovat velkého výkonu pulzů.
Takové lasery dokáží vytvářet plazma s velmi vysokou hustotou energie, které je ideální například pro studium extrémních astrofyzikálních podmínek. Zařízení je možné využít také jako potenciální zdroj neutronů a s jeho pomocí zkoumat atomovou strukturu bez potřeby rentgenového záření. Neutrony se obvykle získávají na velkých urychlovačích nebo reaktorech, malý samostatný zdroj neutronů je proto něco, co by vědečtí pracovníci v různých oborech jistě uvítali.
Fyzici z univerzity v americkém Coloradu nyní použili titan-safírový laser ke generování pulzů o délce 60 fs a energií 1,65 J. Laser je schopen pálit třikrát za sekundu na pole deuterovaných polyetylenových nanodrátků dlouhých kolem pěti mikrometrů a s průměrem mezi 0,2 a 0,4 mikrometru.Tyto pulzy vyrážejí z povrchů nanodrátků elektrony.
Elektrony jsou urychlovány na velmi vysoké energie v mezerách mezi drátky a způsobí, že se drátky rychle zahřívají a explodují. Vzniklé plazma urychluje deuterony (jádra deuteria) na energie až několik megaelektronvoltů. Ty se potom slučují a generují rychlé dávky neutronů.
Fyzici použili nanodrátková pole, aby mohli excitovat co nejvíce deuteronů. Laserové pulzy totiž snadněji pronikají prostorem mezi nanodrátky, a proto ohřívají mnohem větší objem materiálu, než když pálí na rovný povrch. Tato technika dokáže podle vědců produkovat až dva miliony fúzních neutronů na joule. Podstatné je přitom i zdvojnásobení frekvence obvyklého infračerveného výstupu titan-safírového laseru pro vytváření pulzů modrého světla. Díky tomu vědci dokázali odfiltrovat méně intenzivní prvotní pulzy, které by jinak mohly zničit nanodrátky ještě před příchodem hlavního pulzu.
Ačkoli fúze v mikroskopických měřítkách dokáže velmi efektivně produkovat velké množství neutronů, nejsilnější laser na světě zatím překonat nedokázala. Fyzici z Colorada však zjistili, že neutronový tok v jejich experimentu prudce roste, když zvyšují energii pulzů – jak to ostatně vyplývá z počítačových simulací. Tým teď pracuje na dalším zvyšování energie pulzů, aby bylo možno provádět neutronovou radiografii. Navíc se spojil s dalšími skupinami, které by používaly jejich zdroj neutronů ke kalibraci detektorů neutrin.
Práce byla uveřejněna v Nature Communications.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz
Pozvánka
Přednášky z moderní fyziky 2018: Fenomén Feynman 1918-1988
Podrobnosti
