Ученые продолжают изучать термоядерные реакции с двумя дейтронами
Понедельник, 10 августа 2020В Лаборатории криогенной и сверхпроводящей техники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в настоящее время продолжается эксперимент PolFusion (аббревиатура от Polarized dd Fusion) в коллаборации с Исследовательским центром Юлих (г. Юлих, Германия), Национальным институтом ядерной физики (г. Рим, Италия) и Университетом Феррары (г. Феррара, Италия).
Эксперимент направлен на прямое экспериментальное измерение спин корреляционных коэффициентов, фактора подавления квинтетного состояния (QSF), дифференциального сечения термоядерных реакций, в которых участвуют два дейтрона, при различных спиновых комбинациях частиц пучка и мишени в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ.
«Эксперименты при участии неполяризованного дейтерия проводились не раз, однако только некоторые из них исследовали поляризованные эффекты в dd реакциях, - комментирует младший научный сотрудник Лаборатории криогенной и сверхпроводящей техники Иван Соловьев. - При этом большинство из них поляризовали только пучок, а мишень оставалась неполяризованной. Для полного понимания dd реакций, а также для определения, какая из существующих теорий четырёхнуклонного взаимодействия описывает реакции более правильно и точно, и проводится наш эксперимент, в котором известны поляризации минимум двух участвующих частиц из четырёх».
Экспериментальная установка PolFusion состоит из двух источников пучков поляризованных частиц. Первый представляет собой источник ионного пучка POLIS. Вторым является источник поляризованного атомарного пучка ABS. Оба источника, которые были получены от зарубежных коллег, расположены перпендикулярно друг другу таким образом, чтобы пучки пересекались в детекторной системе для регистрации продуктов реакции dd синтеза. Детектор выполнен в виде кубической структуры, охватывающей телесный угол детектирования 4π. На каждой внутренней грани куба смонтировано 96 кремниевых PIN-фотодиодов. Центры граней имеют квадратные отверстия для проведения пучков и улучшения условий вакуумной откачки. В конечном виде детекторы располагаются максимально плотно друг к другу и имеют эффективное покрытие куба 51%. Сигналы кремниевых детекторов выведены с помощью гибких каптоновых шлейфов, которые подключены к проходным вакуумным разъемам в верхнем фланце детекторной камеры. Сигналы считываются с помощью разработанного в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ электронного модуля сбора данных.
Для измерения поляризации ионного пучка POLIS за 4π-детектором установлен поляриметр, основанный на ядерной реакции 2𝐻(𝑑,𝑝)3𝐻. Используя известные анализирующие способности данной реакции и измеряя асимметрию разлёта продуктов реакции, определяется как векторная, так и тензорная поляризации дейтронов. В качестве мишени используется адсорбированный дейтерий пучка в титановой пластине. Продукты реакции детектируются PIN-фотодиодами S3590, размещёнными в определённых местах внутри камеры рассеяния.
Чтобы измерить поляризацию атомарного пучка ABS, сначала необходимо ионизировать его. Поэтому после 4π-детектора планируется установить ионизатор Главиша, который ионизует пролетающий пучок электронным ударом, а требуемая энергия пучка (0.5 - 1 кэВ) достигается за счёт выбора напряжений потенциальной ямы в ионизационной колонне ионизатора. За ионизатором размещается поляриметр, основанный на лэмбовском сдвиге, с помощью которого измеряется поляризация за счёт прямого измерения населённостей Зеемановских уровней сверхтонкого расщепления дейтерия.
«Поскольку полученное от зарубежных коллег оборудование не совсем подходит для данного эксперимента, например, энергия, интенсивность и стабильность ионного пучка POLIS ниже требуемых, а также тот факт, что данное оборудование десятилетия назад активно использовалось в других экспериментах и частично устарело или вышло из строя, - поясняет Иван Соловьев, - нашей Лабораторией проводится доработка их конструкции с необходимыми изменениями и ремонтными работами для достижения требуемых параметров. В настоящее время в нашей Лаборатории завершено изготовление 4π-детектора и проводится его наладка, изготовлен нейтрализатор пучка, необходимый для работы поляриметра на лэмбовском сдвиге, изготовлен и вводится в эксплуатацию ионизатор Главиша, а также ведутся работы по проектированию детекторов для регистрации космического излучения».
Ученый также отмечает, что за время работы полностью переписано программное обеспечение всех установок для объёдинения их в единую компьютерную программу для управления экспериментальной установкой и получения всех необходимых данных. В ближайшее время начнутся работы по поляризации ионного пучка POLIS и её измерению, а также введение в эксплуатацию поляриметра на лэмбовском сдвиге. В недалёком будущем планируется тестовый сеанс при скрещивании обоих пучков POLIS и ABS.
Для справки.
Термоядерные реакции, в которых участвуют два дейтрона, вызывают интерес научного сообщества с 1933 г., когда Лоренс, Льюис и Ливингстон [1] обнаружили возможность испускания протонов большой энергии при соударении двух дейтронов. Впоследствии было установлено, что существует три канала dd реакций: 2𝐻(𝑑,𝑝)3𝐻,2𝐻(𝑑,𝑛)3𝐻𝑒 и 2𝐻(𝑑,γ)4𝐻𝑒. Реакция протекает по последнему каналу значительно реже, чем по первым двум, с вероятностью 10−9.
Интерес к dd реакциям вызван как со стороны астрофизики совместно с ядерной физикой, так и прикладной науки, в частности, в области создания термоядерных реакторов. Теория Большого Взрыва гласит, что сначала дейтерий образовывался при слиянии протона и нейтрона спустя десятки секунд после Большого Взрыва на дозвездной стадии эволюции Вселенной. В некотором смысле он "спас" нейтроны от радиоактивного бета-распада. Затем дейтерий посредством dd реакций участвовал в первичном нуклеосинтезе в первые минуты после Большого Взрыва. По его завершению в межзвёздном газе сохранилось небольшое количество дейтерия (10−5 от содержания протонов). Даже такое количество дейтерия даёт возможность протекания dd реакций в протозвездах, образованных из гигантских газовых молекулярных облаков под действием гравитационных сил. Первыми загораются dd реакции, поскольку температура, достаточная для осуществления dd реакций, на порядок ниже аналогичной температуры для горения протия.
Как только достигается требуемая температура для начала ядерной реакции горения протия, протозвезда становится полноценной звездой. И уже внутри неё два протия превращаются в дейтерий. dd реакции оказывают существенное влияние на водородный цикл звезды, участвуя в ранних стадиях эволюции звёзд.
С другой стороны, ядерная физика исследует четырёхнуклонные системы посредством изучения dd реакций. Теоретики всего мира предложили и развили десятки теорий, описывающих взаимодействие четырёх частиц, но их предсказания сильно отличаются друг от друга. Экспериментальные данные по dd реакциям позволят более детально описать нуклон-нуклонные взаимодействия.
В практическом плане dd реакции могут найти своё применение в термоядерных реакторах. Однако известно, что наиболее перспективной термоядерной реакцией для промышленного получения энергии является 3𝐻(𝑑,𝑛)4𝐻𝑒. Для её "зажигания" требуется более низкая температура плазмы, а энергетический выход у данной реакции выше, чем у остальных. Наряду с данной реакцией в таком реакторе протекают dd реакции, поскольку в состав топлива входит большая доля дейтерия. Несмотря на преимущества тритиевого топлива, у такого реактора есть свои недостатки. Тритий в природе почти не встречается, поскольку его период полураспада 12,3 года. Запасы промышленного трития также невелики. Поэтому вместе с чисто тритиевыми реакторами предложены гибридные термоядерные реакторы [2], в которых изначально реактор работает за счёт энергии dd реакций, а затем к данной реакции добавляется реакция с участием трития.
1. Lawrence EO, Livingston MS, Lewis GN. The emission of protons from various targets bombarded by deutons of high speed [5] Physical Review. 44: 56. DOI: 10.1103/PhysRev.44.56
2. S. Zheng, D.B. King, L. Garzotti, E. Surrey, T.N. Todd, Fusion reactor start-up without an external tritium source, Fusion Eng. Des. 103 (2016) 13–20.
