Lågfrekvent lasermodell erbjuder potentiell genväg till praktisk kärnfusion

Lågfrekvent lasermodell erbjuder en potentiell genväg till praktisk kärnfusion

Forskare har länge sökt efter ett sätt att övervinna den intensiva elektrostatiska repulsionen mellan atomkärnor utan att enbart förlita sig på de extrema temperaturer som finns i stjärnors kärnor. I ett betydande teoretiskt framsteg som publicerats i tidskriften Nuclear Science and Techniques har forskare föreslagit en ny mekanism som utnyttjar intensiva, lågfrekventa laserfält för att manipulera kollisionsenergier. Detta tillvägagångssätt underlättar kvanttunneling och sänker potentiellt de enorma fysiska och termiska barriärer som för närvarande hindrar genereringen av ren, obegränsad fusionsenergi.

Utmaningen med Coulombbarriären

Strävan efter kontrollerad kärnfusion — den process som ger solen dess kraft — har definierats av ett enda, skräckinjagande hinder: Coulombbarriären. Eftersom atomkärnor är positivt laddade utövar de en kraftig elektrostatisk repulsion mot varandra. För att uppnå fusion måste två kärnor föras tillräckligt nära varandra för att den starka kärnkraften ska kunna ta över och binda dem samman. Traditionellt kräver detta upphettning av bränsle, såsom isotoper av väte, till temperaturer som överstiger tiotals miljoner grader Kelvin. Vid dessa temperaturer rör sig kärnorna med tillräcklig kinetisk energi för att övervinna sin ömsesidiga repulsion.

Att upprätthålla dessa "solförhållanden" på jorden innebär dock monumentala tekniska utmaningar. Nuvarande metoder, såsom Magnetic Confinement Fusion (MCF) och Inertial Confinement Fusion (ICF), kräver massiva energitillskott för att upprätthålla plasmatillståndet och förhindra att bränslet vidrör reaktorns väggar. Begränsningarna med traditionell termisk uppvärmning är tydliga: energin som krävs för att nå dessa temperaturer motsvarar eller överstiger ofta den energi som produceras av själva reaktionen. Följaktligen har sökandet efter en mer effektiv katalysator för att överbrygga gapet mellan lågtemperaturtillstånd och fusionströskeln blivit en prioritet för teoretiska fysiker.

Ett nytt teoretiskt ramverk för fusion

Ett forskarlag lett av biträdande professor Jintao Qi vid Shenzhen Technology University, tillsammans med professor Zhaoyan Zhou vid National University of Defense Technology och professor Xu Wang vid Graduate School of the China Academy of Engineering Physics, har introducerat ett fängslande alternativ. Deras studie, med titeln "Theory of laser-assisted nuclear fusion", antyder att den råa kraften från termisk uppvärmning skulle kunna kompletteras — eller kanske mildras — genom en strategisk tillämpning av intensiva laserfält. Till skillnad från traditionella metoder där lasrar främst används för att komprimera bränslekapslar, föreslår detta ramverk att man använder laserfältet för att direkt modifiera den kvantdynamik som styr de kolliderande kärnorna.

Studien lyfter fram ett överraskande fynd angående laserfrekvens. Medan högfrekventa lasrar, såsom röntgenfrielektronlasrar, bär mer energi per foton, fann forskarna att lågfrekventa lasrar — särskilt de i det nära infraröda spektrumet — är betydligt mer effektiva när det gäller att öka fusionshastigheten. Detta kontraintuitiva resultat härrör från förmågan hos lågfrekventa system att driva "multifotonprocesser". Under dessa förhållanden kan de interagerande kärnorna absorbera och emittera ett stort antal fotoner under ett enda möte, vilket effektivt omformar deras kollisionsenergifördelning på ett sätt som högfrekventa fotoner inte kan matcha.

Mekaniken bakom kvanttunneling

I hjärtat av denna upptäckt finns fenomenet kvanttunneling. Inom kvantvärlden behöver partiklar inte alltid ha tillräckligt med energi för att "rulla över" en potentialenergibarriär; istället har de en statistisk sannolikhet att "tunnla" genom den. Genom att applicera ett externt laserfält demonstrerade forskarna att det är möjligt att bredda den effektiva kollisionsenergifördelningen hos de reagerande kärnorna. Istället för ett smalt energiintervall dikterat av den termiska miljön, skapar laserfältet en bredare fördelning med betydligt mer vikt vid högre effektiva energier.

Den matematiska modelleringen som biträdande professor Qi och hans kollegor presenterat visar att lasern inte bara tillför energi; den modifierar det potentiallandskap som kärnorna befinner sig i. Denna "laserassisterade" tunneling gör det möjligt för kärnor med relativt låg initial kinetisk energi att passera genom Coulombbarriären i hastigheter som tidigare ansågs omöjliga utan massiv termisk acceleration. I grund och botten fungerar lasern som en kvantkatalysator som ökar reaktionstvärsnittet — sannolikheten för att en kollision ska resultera i fusion — utan att kräva en motsvarande ökning av systemets totala temperatur.

Att kringgå solförhållanden

De kvantitativa konsekvenserna av denna modell är slående. Med deuterium-tritium-reaktionen (D-T) som riktmärke beräknade författarna inverkan av en lågfrekvent laser med en fotonenergi på 1,55 eV. För kollisioner vid 1 keV (en relativt låg energi i fusionssammanhang) ökade en laserintensitet på 10²⁰ W/cm² fusionssannolikheten med tre storleksordningar. När intensiteten ökades till 5 x 10²¹ W/cm² nådde ökningen häpnadsväckande nio storleksordningar jämfört med en miljö utan fält.

I praktiska termer innebär detta att en kollision på 1 keV, med hjälp av en intensiv lågfrekvent laser, skulle kunna uppnå ett effektivt fusionstvärsnitt jämförbart med en kollision på 10 keV i en traditionell reaktor. Genom att manipulera kärnornas energifördelning snarare än att enbart förlita sig på termisk uppvärmning, föreslår forskarna en möjlig väg att minska klyftan mellan experimentella förhållanden och praktisk fusion. Detta kan leda till en omdesign av system för tröghetsinneslutning, där laserns roll skiftar från enkel kompression till en mer nyanserad manipulation av nukleära interaktioner.

Ett enhetligt ramverk för laserkärnfysik

Arbetet organiserar laserassisterat fusionsbeteende i ett enhetligt teoretiskt ramverk som spänner över ett brett intervall av frekvenser och intensiteter. Enligt författarna visar detta ramverk att intensiva laserfält i princip kan lätta på de stränga temperaturkrav som förknippas med kontrollerad fusion, samtidigt som man fortfarande använder konventionella bränslecykler. Detta bidrag är särskilt värdefullt för det framväxande fältet laserkärnfysik, då det tillhandahåller en färdplan för hur ljus-materie-interaktioner kan användas för att kontrollera processer som traditionellt är förbehållna de högenergimiljöer som finns i partikelacceleratorer eller stjärnors inre.

Forskarna betonar att deras nuvarande modell fokuserar på ett idealiserat tvåkropparsystem. Denna förenkling var nödvändig för att isolera och förstå den grundläggande mekanismen för laseromformad tunneling. De erkänner dock att övergången från teori till en fungerande reaktor kommer att bli komplex. "Realistiska fusionsplasman involverar mångkropparseffekter, komplexa laser-plasmainteraktioner och olika kanaler för energidissipation", noterade teamet i sin rapport. Dessa faktorer måste integreras minutiöst i modellen för att avgöra hur dessa förbättringar beter sig i en tät, turbulent plasmamiljö.

Färdplan mot experimentell validering

Nästa fas i denna forskning innebär att gå från den teoretiska fysikens idealiserade vakuum till den komplexa verkligheten i laboratorietester. Forskarna pekar på den snabba globala expansionen av högintensiva laseranläggningar som en primär drivkraft för sitt arbete. Anläggningar som kan nå de intensiteter som beskrivs i studien — såsom Extreme Light Infrastructure (ELI) i Europa eller olika högeffektslaserlaboratorier i Kina och USA — skulle snart kunna användas för att validera dessa förutsagda ökningar i fusionssannolikhet.

Framtida arbete kommer att fokusera på att utöka teorin till att inkludera "kollektivt beteende" och "skärmningseffekter" inom ett plasma. I en verklig reaktor kan närvaron av andra elektroner och joner skärma kärnorna, vilket potentiellt förändrar hur laserfältet interagerar med de enskilda fusionspartnerna. Om de förutsagda ökningarna på tre till nio storleksordningar visar sig stämma i dessa mer komplexa miljöer, kan vägen till kommersiell fusionsenergi förkortas avsevärt. Genom att tillhandahålla teoretisk vägledning för utformningen av framtida experiment har teamet från Tokyo, Shenzhen och China Academy of Engineering Physics lagt grunden för ett potentiellt paradigmskifte i hur vi närmar oss "den heliga graalen" inom ren energi.

Slutsats och framtida riktningar

Studien representerar ett skifte i strategin för fusionsforskning: att gå ifrån rå styrka i form av värme och mot precisionsmanipulering av kvanttillstånd. Om intensiva, lågfrekventa lasrar verkligen kan fungera som en "genväg" genom Coulombbarriären, kan de tekniska kraven för framtida reaktorer bli betydligt mindre avskräckande. Även om vägen till ett koldioxidfritt, fusionsdrivet elnät förblir lång, ger teoretiska verktyg som de som utvecklats av professor Qi och hans kollegor de nödvändiga koordinaterna för nästa generation av experimentfysiker att följa.