زيادة عائد الاندماج عبر تفاعلات الحزمة-الهدف الثانوية في تجارب الليزر-العناقيد

إشعال شموس صغيرة في المختبر

الاندماج، العملية التي تولِّد طاقة الشمس، عادةً ما يتطلب آلات هائلة أو داخل نجوم حارة وكثيفة. تستكشف هذه الدراسة مسارًا مختلفًا تمامًا: استخدام ليزرات سطحية فائقة السرعة وعناقيد غازية صغيرة لإشعال تفاعلات اندماجية في إعداد مدمج. يوضح الباحثون كيف أن إضافة «قشرة» صلبة بسيطة حول مصدر الاندماج المدفوع بالليزر يمكن أن تزيد بشكل كبير من عدد النيوترونات المنتجة، فاتحةً المجال لتجارب مختبرية صغيرة تستقصي ظروفًا شبيهة بتلك الموجودة في النجوم.

كيف يحول الليزر العناقيد إلى وقود اندماجي

في اندماج الليزر-العناقيد، تضرب نبضة ليزر قوية وفائقة القصر نفاثة من العناقيد المجهرية المصنوعة من غاز الميثان المديترجني، شكل من الميثان استُبدِل فيه الهيدروجين بديوتيريوم، وهو نظير أثقل للهيدروجين. الضوء المكثف يقتلع الإلكترونات من العناقيد، ويبقي أيونات موجبة الشحنة تتنافر بعنف وتتعرض لما يُسمى «انفجار كولومبي». يقذف هذا الانفجار أيونات الديوتيريوم إلى عشرات آلاف إلكترون فولت من الطاقة — ما يكفي لأن تندمج أزواج من نوى الديوتيريوم وتصدر نيوترونات بقدرة 2.45 ميغا إلكترون فولت. يحدث بعض الاندماج حيث تنفجر العناقيد، عندما تصطدم الأيونات النشيطة ببعضها أو بذرات أبطأ في نفاثة الغاز.

إضافة هدف محيطي لمزيد من الاندماج

الفكرة الأساسية في هذا العمل هي التقاط وإعادة استخدام الأيونات السريعة التي تهرب من منطقة الاندماج الأولية. أحاط الفريق بنفاثة العناقيد بكتلة على شكل حرف C مصنوعة من بلاستيك مديترجني (CD2). بينما تتدفق أيونات الديوتيريوم الحارة إلى الخارج من العناقيد المنفجرة، يغوص العديد منها داخل هذا الهدف الصلب. هناك، تصادف أعدادًا كبيرة من ذرات الديوتيريوم المكدسة بكثافة أعلى بكثير من تلك في نفاثة الغاز. يمكن لكل أيون أن يطلق تفاعلات اندماج إضافية أثناء تباطؤه داخل الصلب، محولًا ما كان ليكون جُزءًا «مهدورًا» من الجسيمات إلى مرحلة ثانية لإنتاج النيوترونات.

قياس النيوترونات في سباق مع الزمن

لرصد مدى فائدة هذا الهدف الثانوي، قاس الباحثون بعناية توقيت ووُجود النيوترونات في الكاشفات الموضوعة على بعد عدة أمتار. لأن نيوترونات الاندماج تسافر بسرعات معروفة، يكشف زمن الرحلة عن متى وأين تم إنشاؤها. عبر طرح الإشارات المبكرة الناتجة عن الأشعة السينية ومراعاة انتشار طفيف في الطاقات، عزل الفريق النيوترونات القادمة من منطقة العناقيد وتلك الصادرة من كتلة CD2 المضافة. كما استخدموا كاشفًا منفصلًا لقياس طاقات أيونات الديوتيريوم، فوجدوا «درجات حرارة» أيونية تتراوح بين نحو 60 و100 كيلوإلكترون فولت — وهو مؤشر على مدى طاقة الأيونات.

رفع الحرارة لزيادة العائد

مع وجود هدف CD2، ارتفع ناتج النيوترونات لكل نبضة ليزر بشكل حاد. عند أدنى طاقات أيونية اختُبرت، تضاعف عدد النيوترونات تقريبًا مقارنةً بحالة العناقيد فقط؛ وعند أعلى الطاقات قرب 100 keV، ازداد العائد بنحو ثلاث ونصف مرة. نموذج زمني يتتبّع كيف يتمدد البلازما الحار، وكيف تبطئ الأيونات، وعدد التفاعلات التي تحدث في الغاز والصلب طابق هذه القياسات جيدًا. تُظهر التحليلات أنه مع ارتفاع طاقة الأيونات، يزداد احتمال اندماج كل أيون داخل الهدف الصلب، لذا ينمو الفائدة النسبية لكتلة CD2 المضافة بشكل شبه خطي ضمن النطاق الذي اختُبر.

ما يعنيه هذا للاندماج والكون

تُبرهن هذه التجربة عن وسيلة عملية لزيادة إنتاج النيوترونات بشكل كبير في إعدادات الاندماج المدمجة المدفوعة بالليزر عبر إحاطة منطقة الاندماج الرئيسية بهدف صلب مناسب. إلى جانب زيادة عدد النيوترونات، المفهوم مرن: عبر استبدال كتلة CD2 بمواد أخرى، يمكن للتجارب المستقبلية دراسة العديد من التفاعلات النووية المختلفة تحت ظروف منخفضة الطاقة ومتحكم بها تشابهية لظروف داخل النجوم. في الواقع، يوفر اندماج الليزر-العناقيد مقترنًا بأهداف ثانوية منصة صغيرة الحجم وقابلة للضبط لاستكشاف كيفية تفاعل النوى ومعدل اندماجها — معلومات حاسمة لفهم كل من تقنيات الاندماج المحتملة والآليات الداخلية للأجسام الفلكية.

الاستشهاد: Sim, J., Lee, S., Kim, Hi. et al. Fusion yield enhancement via secondary beam-target reactions in laser-cluster experiments. Sci Rep 16, 5633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35722-z

الكلمات المفتاحية: اندماج ليزر-العناقيد, اندماج الديوتيريوم, ناتج النيوترونات, أهداف ثانوية, تفاعلات نووية فيزيائية فلكية