Wzrost wydajności fuzji poprzez wtórne reakcje wiązka‑cel w eksperymentach laser‑klaster

Rozświetlanie maleńkich słońc w laboratorium

Fuzja, proces dający energię Słońcu, zwykle wymaga olbrzymich urządzeń lub wnętrz gwiazd. Niniejsze badanie bada zupełnie inną drogę: użycie stołowych, ultrakrótkich laserów i maleńkich klastrów gazu do wywołania reakcji fuzji w kompaktowym układzie. Badacze pokazują, jak dodanie prostej stałej „powłoki” wokół źródła fuzji napędzanego laserem może dramatycznie zwiększyć liczbę wytwarzanych neutronów, otwierając drzwi do małych eksperymentów laboratoryjnych badających warunki podobne do gwiazd.

Jak lasery zmieniają klastry w paliwo do fuzji

W fuzji laser‑klaster silny, ultrakrótkotrwały impuls laserowy uderza w strumień mikroskopijnych klastrów z deuterowanego metanu, odmiany metanu, w której wodór został zastąpiony deuterem, cięższym kuzynem wodoru. Intensywne światło zdziera elektrony z klastrów, pozostawiając dodatnio naładowane jony, które gwałtownie odpychają się nawzajem i ulegają „wybuchowi Coulomba”. Ten wybuch wyrzuca jony deuteru do dziesiątek tysięcy elektronowoltów energii — wystarczająco, by pary jąder deuteru złączyły się i emitowały neutrony o energii 2,45 MeV. Część reakcji fuzji zachodzi tam, gdzie klastry eksplodują, gdy energetyczne jony zderzają się między sobą lub z wolniejszymi atomami w strumieniu gazu.

Dodanie otaczającego celu dla dodatkowej fuzji

Kluczowa idea tej pracy polega na zatrzymaniu i ponownym wykorzystaniu szybkich jonów, które uciekają z początkowego obszaru fuzji. Zespół otoczył strumień klastrów blokiem w kształcie litery C wykonanym z deuterowanego plastiku (CD2). Gdy gorące jony deuteru wypływają z eksplodujących klastrów, wiele z nich wpada w ten stały cel. Tam napotykają dużą liczbę atomów deuteru upakowanych w znacznie większej gęstości niż w strumieniu gazu. Każdy jon może wywołać dodatkowe reakcje fuzji podczas hamowania w ciele stałym, zamieniając to, co byłoby „straconymi” cząstkami, w drugie stadium produkcji neutronów.

Pomiary neutronów w wyścigu z czasem

Aby ocenić, jak bardzo cel wtórny pomaga, badacze starannie mierzyli, kiedy i ile neutronów dociera do detektorów umieszczonych kilka metrów dalej. Ponieważ neutrony fuzji poruszają się z określonymi prędkościami, ich czas lotu ujawnia, kiedy i gdzie zostały wytworzone. Po odjęciu wczesnych sygnałów pochodzących od promieniowania rentgenowskiego i skorygowaniu o niewielkie rozproszenie energii, zespół wyodrębnił neutrony pochodzące z obszaru klastrów i z dodanego bloku CD2. Użyto też oddzielnego detektora do pomiaru energii jonów deuteru, znajdując „temperatury” jonów w przedziale około 60–100 kiloelectronowoltów — wskaźnik tego, jak energetyczne są jony.

Podkręcanie energii, by zwiększyć plony

Po umieszczeniu celu CD2, plon neutronów na pojedyncze uderzenie lasera gwałtownie wzrósł. Przy najniższych badanych energiach jonów liczba neutronów w przybliżeniu się podwoiła w porównaniu z przypadkiem tylko z klastrami; przy najwyższych energiach bliskich 100 keV plon wzrósł około trzykrotnie i pół. Model z rozdzielczością czasową, który śledzi, jak gorąca plazma się rozszerza, jak jony zwalniają i ile reakcji zachodzi w gazie i ciele stałym, dobrze dopasował się do tych pomiarów. Analiza pokazuje, że wraz ze wzrostem energii jonów każdy jon staje się bardziej prawdopodobny do zainicjowania fuzji w celu stałym, więc względna korzyść z dodanego bloku CD2 rośnie niemal liniowo w badanym zakresie.

Co to oznacza dla fuzji i kosmosu

Eksperyment demonstruje praktyczny sposób istotnego zwiększenia produkcji neutronów w kompaktowych układach fuzji napędzanej laserem poprzez otoczenie głównego obszaru fuzji odpowiednim celem stałym. Poza samym zwiększeniem liczby neutronów, koncepcja jest elastyczna: poprzez wymianę bloku CD2 na inne materiały, przyszłe eksperymenty mogłyby badać wiele różnych reakcji jądrowych w dobrze kontrolowanych, niskoenergetycznych warunkach podobnych do wnętrz gwiazd. W istocie fuzja laser‑klaster w połączeniu z celami wtórnymi oferuje małoskalową, regulowaną platformę do badania reakcji jądrowych i częstości ich zachodzenia — informacji kluczowych zarówno dla zrozumienia potencjalnych technologii fuzji, jak i wewnętrznych procesów obiektów astrofizycznych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: fuzja laser‑klaster, fuzja deuteru, plon neutronów, cele wtórne, astrofizyczne reakcje jądrowe