科学家在剪切流Z箍缩装置中证实了热核聚变

诸平

Fig. 1 LLNL physicist James Mitrani sets up scintillator detectors to measure neutrons on the University of Washington’s Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE) device. Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

Fig. 2 The top photo shows one of the scintillator detectors used for neutron measurements on the FuZE device. The bottom simplified schematic shows the physical mechanism for pulse generation in the detector, where recoil protons produced by fast neutron interactions generate light via excitation and ionization of the scintillating medium. The scintillation light is converted to an electric signal using a photomultiplier tube (PMT).  (Click to expand).

据美国劳伦斯·利弗摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory简称LLNL）2022年3月7日提供的消息，LLNL科学家在剪切流Z箍缩装置中证实了热核聚变(Scientists confirm thermonuclear fusion in a sheared-flow Z-pinch device)。上图1(Fig. 1)是LLNL提供的该机构的物理学家詹姆斯·米特拉尼(James Mitrani)，在美国华盛顿大学（(University of Washington简称UW）的核聚变Z-箍缩实验装置(Fusion Z-Pinch Experiment简称FuZE)上设置测量中子的闪烁体探测器的照片。

LLNL物理学家领导的一项研究，证实了剪切流稳定Z箍缩装置在热核反应中产生中子的存在，这一发现可能有助于推进另一种“可行的途径（viable pathway）”来获得核聚变能。相关研究结果于2021年11月份已经在《等离子体物理学》（Physics of Plasmas）网站发表—— James M. Mitrani, Joshua A. Brown, Bethany L. Goldblum, Thibault A. Laplace, Elliot L. Claveau, Zack T. Draper, Eleanor G. Forbes, Ray P. Golingo, Harry S. McLean, Brian A. Nelson, Uri Shumlak, Anton Stepanov, Tobin R. Weber, Yue Zhang, Drew P. Higginson. Thermonuclear neutron emission from a sheared-flow stabilized Z-pinch. Physics of Plasmas, 2021, 28: 112509. DOI: 10.1063/5.0066257. https://doi.org/10.1063/5.0066257

研究人员使用先进的计算机建模技术和在LLNL磨炼的诊断测量设备，解决了一个长达数十年的问题，即区分热核反应（thermonuclear reactions）产生的中子和磁惯性聚变区（magneto-inertial fusion regime）等离子体中离子束驱动的不稳定性产生的中子。

虽然该团队之前的研究表明，从剪切流稳定Z箍缩装置中测量到的中子“与热核生产一致，但我们还没有完全证明这一点，”LLNL的物理学家、上述论文的共同通讯作者之一德鲁·希金森(Drew Higginson)说。德鲁·希金森是便携式和适应性中子诊断(Portable and Adaptable Neutron Diagnostics简称PANDA)团队的首席研究员，该团队正在美国能源部高级研究计划局-能源(Department of Energy Advanced Research Projects Agency-Energy简称ARPA-E)合作协议下进行研究。

德鲁·希金森说：“这是热核聚变产生这些中子而不是由束流不稳定性驱动的离子的直接证据。这还没有证明它们会获得能量，但这是一个有希望的结果，表明它们正处于有利的道路上。”

LLNL的物理学家詹姆斯·米特拉尼是这篇论文的主要（第一）作者，这篇论文展示了除了LLNL的国家点火装置(LLNL's National Ignition Facility简称NIF)——世界上能量最高的激光系统所取得的重大进展之外，该实验室广泛的研究范围正在造福更大的核聚变团体。

詹姆斯·米特拉尼说:“研究只集中在这一种装置上，但一般的技术和概念适用于这种中间磁惯性聚变体制下的许多聚变装置。”他指出,政府在激光核聚变设施之间的区域进行操作,如NIF和罗美国彻斯特大学（University of Rochester）ω激光设备（Omega Laser Facility）以及将等离子体限制在纯磁范围内的聚变装置，如ITER(法国南部的一个跨国项目)、SPARC(波士顿附近正在建设中)或其他托卡马克装置（tokamak devices）。

自8月以来，NIF在全球科学界引起了轰动，因为一项惯性约束聚变(inertial confinement fusion 简称ICF)实验产生了创纪录的1.35兆焦耳(MJ)能量。这一里程碑将研究人员带到了点火阈值——由美国国家科学院（National Academy of Sciences）和美国国家核安全管理局（National Nuclear Security Administration）定义的点火阈值是指NIF内爆产生的聚变能量大于发射到目标的激光能量。在此之前，LLNL的研究人员在实验室实验中取得了燃烧等离子体状态的进展。

核聚变是在太阳、恒星和热核武器中发现的能源。NIF的ICF实验将192束激光束集中在一个小目标上，压缩和加热燃料舱内部分冻结的氢同位素，产生内爆，复制只有在恒星和巨型行星的核心以及爆炸的核武器中才有的压力和温度条件。Z箍缩机(Z-pinch machines)利用强大的磁场限制和“箍缩(pinch)”等离子体来完成核聚变。

Z箍缩概念是一个相对简单的设计，自20世纪30年代以来一直作为一种理论模型存在。但德鲁·希金森指出，它有一个“可怕的不稳定”的长期历史，这阻碍了产生获得净核聚变能量所需条件的能力。

20世纪90年代，LLNL的科学家开始与华盛顿大学(UW)的研究人员合作，推进另一种有前途的点火方法，即剪切流稳定Z箍缩概念。与其他Z箍缩装置中使用的强大稳定磁铁不同，剪切流稳定Z箍缩装置使用脉冲电流产生磁场流过等离子体柱，以减少聚变干扰的不稳定性。

德鲁·希金森说:“不稳定性的问题在于，它们不能创造出一种可行的能源生产途径，而热核聚变却可以。诊断这种差异一直很棘手，尤其是在Z箍缩的情况下。”

2015年，LLNL和UW的研究人员获得了一份价值528万美元的ARPA-E合作协议，用于在UW的核聚变Z箍缩实验(Fusion Z-Pinch Experiment简称FuZE)项目（(FuZE project）下，在更高能量和箍缩电流下测试箍缩稳定的物理特性。

在随后的ARPA-E“能力团队（capability team）”合作协议下，LLNL的研究人员专注于测量核聚变过程中产生的中子排放的诊断，包括这些排放的空间位置和时间剖面。结合国家实验室的等离子体诊断专业知识和私营公司的敏捷操作，利用他们各自的优势，这是ARPA-E融合能力团队计划的一个关键目标。

随着FuZE圆筒半径的缩小以增加压缩，它也会在等离子体中产生倾斜，从而产生更强的磁场，导致等离子体在某些地方比其他地方更向内收缩。就像一种流行的管状肉末被捏住的末端一样，那些不受欢迎的“香肠（sausage）”不稳定性会产生更快的离子束，这些离子束会产生中子，而这些中子可能会与所希望的热核产生的中子相混淆。

LLNL的研究人员在设备外放置了两个塑料闪烁探测器（plastic scintillator detectors），以测量中子（neutrons）在几微秒内从Z箍缩室（Z-pinch chamber）外的不同点和角度出现的痕迹。

詹姆斯·米特拉尼说:“我们发现，在这个装置周围的不同点发射出的中子能量是相等的，这表明存在热核聚变反应。”

分析包括创建两个闪烁体探测到的中子脉冲的直方图，并使用蒙特卡罗（Monte Carlo）计算机模拟等方法对它们进行比较，以检查所有可能的结果。

这种诊断方法并不新鲜，德鲁·希金森说，但是“使用单个中子脉冲能量的直方图来测量各向异性——即当你从不同的方向看时能量的差异——的想法是一种新技术，是我们在这里想到、开发和实施的。”此外，我们一直在与加州大学伯克利分校（UC Berkeley）合作，他们帮助我们发展建模能力，消除测量中的不确定性，并完全理解我们所看到的数据。我们不只是查看原始数据。”

这篇论文发表于《等离子体物理学》（Physics of Plasmas）的论文，来源于詹姆斯·米特拉尼在2020年美国物理学会-等离子体物理学分会年会上的邀请演讲。

该研究是2017年一家名为Zap Energy的西雅图（Seattle）由私人资助的初创公司的副产品。但在新的资助下，研究仍在继续，随着Zap Energy公司继续进行实验，16个探测器将进行更详细的测量。

德鲁·希金森说:“我们想参与进来，因为我们不知道可能会出现什么意外。结果可能是，当你进入更高的电流时，突然你又开始驾驶不稳定。我们希望能够证明，随着电流的上升，保持高质量和稳定的箍缩是可能的。”

本研究所提供的信息、数据或工作部分由美国能源部高级研究计划署能源(ARPA-E)资助（Nos. DE-AR-0000571, 18/CJ000/05/05, and DE-AR-0001160），这项工作是在美国能源部LLNL根据相关合同（No. DE-AC52-07NA27344）和劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）根据相关合同（No. DE-AC02-05CH11231）的支持下完成的。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

揭示了核聚变能量获取的稳步进展（Unveiling the steady progress toward fusion energy gain）。

Abstract

The fusion Z-pinch experiment (FuZE) is a sheared-flow stabilized Z-pinch designed to study the effects of flow stabilization on deuterium plasmas with densities and temperatures high enough to drive nuclear fusion reactions. Results from FuZE show high pinch currents and neutron emission durations thousands of times longer than instability growth times. While these results are consistent with thermonuclear neutron emission, energetically resolved neutron measurements are a stronger constraint on the origin of the fusion production. This stems from the strong anisotropy in energy created in beam-target fusion, compared to the relatively isotropic emission in thermonuclear fusion. In dense Z-pinch plasmas, a potential and undesirable cause of beam-target fusion reactions is the presence of fast-growing, “sausage” instabilities. This work introduces a new method for characterizing beam instabilities by recording individual neutron interactions in plastic scintillator detectors positioned at two different angles around the device chamber. Histograms of the pulse-integral spectra from the two locations are compared using detailed Monte Carlo simulations. These models infer the deuteron beam energy based on differences in the measured neutron spectra at the two angles, thereby discriminating beam-target from thermonuclear production. An analysis of neutron emission profiles from FuZE precludes the presence of deuteron beams with energies greater than 4.65 keV with a statistical uncertainty of 4.15 keV and a systematic uncertainty of 0.53 keV. This analysis demonstrates that axial, beam-target fusion reactions are not the dominant source of neutron emission from FuZE. These data are promising for scaling FuZE up to fusion reactor conditions.