הגברת תוצרת היתוך באמצעות תגובות קרן-מטרה משניות בניסויים בלייזר-אשכול

להאיר שמשות זעירות במעבדה

היתוך, התהליך שמניע את השמש, דורש בדרך כלל מכונות ענק או פנים כוכביים. המחקר הזה חוקר דרך שונה מאוד: שימוש בלייזרים שולחניים על־פּניה ומהירים מאד ואשכולות גז זעירים כדי להצית תגובות היתוך בסביבה קומפקטית. החוקרים מראים כיצד הוספת "מעטפת" מוצקה פשוטה סביב מקור היתוך שמונע על ידי לייזר יכולה להגביר בצורה דרמטית את מספר הנייטרונים המיוצרים, ולפתוח אפשרות לניסויים קטנים במעבדה החוקרים תנאים דומים לאלה בכוכבים.

כיצד לייזרים הופכים אשכולות לדלק היתוך

בהיתוך לייזר-אשכול, פולס לייזר עוצמתי וקצר במיוחד פוגע בזרם אשכולות מזעירים העשויים מתאן דהוטרצתי, צורה של מתאן שבה המימן הוחלף בדהוטריום, קרוב כבד של המימן. האור העז מסיר אלקטרונים מהאשכולות, ומשאיר יונים בעלי מטען חיובי שדוחים זה את זה באופן אלים ומתפוצצים על־פי קולון. הפיצוץ משגר יוני דהוטריום לאנרגיות של עשרות אלפי אלקטרון־וולטים — מספיק כדי שנוקיות דהוטריום ישתלבו וישחררו נייטרונים באנרגיה של 2.45 MeV. חלק מההיתוך קורה במקום בו האשכולות מתפוצצים, כאשר יונים אנרגטיים מתנגשים זה בזו או עם אטומים איטיים יותר בזרם הגז.

הוספת מטרה מסביב לתגובות היתוך נוספות

הרעיון המרכזי בעבודה זו הוא ללכוד ולהשתמש מחדש ביונים המהירים שמבריחים מאזור ההיתוך הראשוני. הצוות הקיף את זרם האשכולות בחסם בצורת C העשוי מפלסטיק דהוטרצתי (CD2). כאשר יוני הדהוטריום החמים זורמים החוצה מהאשכולות המתפוצצים, רבים מהם חודרים לתוך המטרה המוצקה הזו. שם הם נתקלים במספר רב של אטומי דהוטריום הצפופים בהרבה מאשר בזרם הגז. כל יון יכול לעורר תגובות היתוך נוספות בעת שהוא מאט בתוך המוצק, והופך מה שהיה חלקיקים "מבוזבזים" לשלב שני של ייצור נייטרונים.

מדידת נייטרונים במרוץ נגד הזמן

כדי להעריך עד כמה המטרה המשנית עוזרת, החוקרים מדדו בקפידה מתי וכמה נייטרונים הגיעו לגלאים הממוקמים כמה מטרים משם. מאחר שנייטרוני היתוך נעים במהירויות ידועות, זמן הטיסה שלהם חושף מתי והיכן נוצרו. על ידי חיסור האותות המוקדמים של קרני X והתחשבות בהתפזרות אנרגטית קלה, הצוות הנדרש נייטרונים מהאזור של האשכול ומהגוש CD2 המתווסף. הם השתמשו גם בגלאי נפרד למדידת האנרגיות של יוני הדהוטריום, ומצאו "טמפרטורות" יוניות בין כ-60 ל-100 קילו־אלאקטרון־וולט — אינדיקציה לרמת האנרגטיות של היונים.

הגברת הטמפרטורה להעלאת התשואות

עם מטרה CD2 במקומה, התשואה לנייטרון לכל ירית לייזר עלתה באופן חד. באנרגיות היונים הנמוכות שנבדקו, מספר הנייטרונים הוכפל פחות או יותר בהשוואה למקרה של אשכול בלבד; באנרגיות הגבוהות נע סביב 100 keV, התשואה גדלה בכ־שלוש וחצי פעמים. מודל תלוי-זמן שמעקב אחר התפשטות הפלזמה החמה, האטת היונים ומספר התגובות בגז ובמוצק התאמה טוב למדידות אלה. הניתוח מראה שככל שאנרגיית היונים עולה, סבירות ההיתוך של כל יון במטרה המוצקה גדלה, ולכן היתרון היחסי של גוש ה‑CD2 הנוסף גדל כמעט בקו ישר בטווח שנבדק.

מה משמעות הדבר להיתוך ולקוסמוס

הניסוי מציג דרך פרקטית להגביר משמעותית את ייצור הנייטרונים בסידורי היתוך קומפקטיים מונעי לייזר על ידי הקפת אזור ההיתוך הראשי במטרה מוצקה מתאימה. מעבר ליצירת יותר נייטרונים, הקונספט גמיש: על ידי החלפת גוש ה‑CD2 בחומרים אחרים, ניסויים עתידיים יוכלו לחקור תגובות גרעיניות רבות תחת תנאים מבוקרים היטב ובאנרגיות נמוכות הדומות לאלה בתוך כוכבים. למעשה, שילוב היתוך לייזר-אשכול עם מטרות משניות מציע פלטפורמה קטנה ומכוונת לחקירת אופן ההתקשרות של גרעינים ותדירות ההיתוכים — מידע חיוני להבנת טכנולוגיות היתוך פוטנציאליות ותהליכים פנימיים של עצמים אסטרופיזיקליים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: היתוך לייזר-אשכול, היתוך דהוטריום, תשואה לנייטרונים, מטרות משניות, תגובות גרעיניות אסטרופיזיקליות