Studie av diamantsmältning kan tredubbla fusionsenergi

Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory har löst en 20 år gammal diskrepans gällande hur diamant beter sig under extremt tryck, med resultat som kan tredubbla energiutbytet i fusionsexperiment och omforma modeller av isjättars inre.

Stänger ett två decennier långt gap

Studien, som publicerades i torsdags i Nature Physics, dokumenterar hur diamant smälter under tryck på en terapascal, ungefär tre gånger högre än förhållandena i jordens kärna. Genom att använda laserdriven chockkompression vid University of Rochesters Omega Laser Facility komprimerade teamet små diamantprover till temperaturer som överstiger solens yta, samtidigt som de mätte atomstruktur, temperatur, densitet och optisk reflektivitet.phys+1

"Vi kunde ta små diamantprover och chockkomprimera dem till temperaturer varmare än solens yta och till tryck högre än i centrum av Neptunus och Uranus, och ändå mäta atomstruktur, temperatur, densitet och optisk reflektivitet," säger LLNL-forskaren Marius Millot, studiens huvudförfattare.phys

Experimenten gav en ny mätning av diamantens smälttemperatur på nära 7 300 Kelvin, vilket stämde nästan perfekt med kvantmekaniska simuleringar och stängde ett långvarigt gap på cirka 20 procent mellan observerade och förutsagda smälttemperaturer. Arbetet visade också att diamant under en enskild chock förblir i sin kristallina struktur ända tills den smälter, utan några mellanfaser, vilket motsäger tidigare resultat från Sandia National Laboratories Z-maskinexperiment.nature+2

Implikationer för fusionsenergi

Resultaten har direkta konsekvenser för tröghetsinnesluten fusion vid LLNL:s National Ignition Facility, där kraftfulla lasrar driver diamantkapslar inåt för att komprimera fusionsbränsle. Att smälta diamanten till en enhetlig vätska under den initiala chocken är avgörande för att minimera implosionsfel.phys

"Vårt arbete indikerar att vi skulle kunna använda något långsammare initiala chocker och fortfarande uppnå full smältning av diamanten i våra NIF-implosioner," säger Millot. "Detta är spännande eftersom en sådan långsammare chock skulle göra fusionsbränslet mer komprimerbart. Det ökar i sin tur det maximala energiutbyte vi kan få med samma laserenergi."phys

Prognoser tyder på att dessa långsammare chocker kan tredubbla energiutbytet, förutsatt att andra degraderingsmekanismer kan kontrolleras.llnl+1

Diamantregn på isjättar

Resultaten ger också planetforskare nya data för att modellera det inre av Neptunus och Uranus, där kol tros kristallisera och falla som "diamantregn". Eftersom experimenten undersökte tryck som överstiger de inuti isjättar, ger smältdata en starkare grund för modeller av planetbildning och utveckling. Teamet planerar ytterligare experiment vid NIF för att studera diamants beteende under förhållanden som är ännu mer extrema än de som uppnåtts hittills.newswise+1