Екип от Националната лаборатория в Лос Аламос успешно пресъздаде важен, но до голяма степен пренебрегван физичен експеримент: първото регистрирано наблюдение на деутерий-тритиев (ДТ) синтез. Актуализираната версия на експеримента от 1938 г., описана наскоро във Physical Review C, потвърждава ключовата роля на физика от Мичиганския университет Артър Рулиг. Оригиналната работа на Рулиг вероятно е поставила основите на процеса на термоядрен синтез, който продължава да оказва влияние както върху развитието на ядрената енергетика, така и върху програмите за национална сигурност.

„Ключовото прозрение на Рулиг беше предложението, че ДТ синтезът се случва с много голяма вероятност, когато деутерий и тритий се намират в непосредствена близост“, обясни Марк Чадуик, заместник-директор на лабораторията за наука, изчисления и теория в Лос Аламос. "Като повторихме експеримента му, успяхме да преразгледаме първоначалните му заключения и да оценим колко точни са те. Неговата интуиция оказа трайно влияние върху насоката на изследванията на ядреното гориво."

Реакцията на термоядрен синтез остава от основно значение за развитието на технологиите, базирани на термоядрен синтез, включително за решаващата ѝ роля както в отбранителните приложения, така и в бъдещите решения за чиста енергия. Реакцията е в основата на проекти като тези в National Ignition Facility, където изследователите работят за постигане на контролиран синтез. Мотивирани от хипотезата, че Рулиг може да е създател на концепцията, учените от Лос Аламос разработиха експеримент, за да проверят стриктно и да потвърдят значимостта на неговата ранна работа.

През 2023 г. Марк Чадуик и колегите му, включително физикът теоретик Марк Парис, съставят подробна история на ранните изследвания на термоядрения синтез. Забележителен момент в тази хронология включва предложение, направено от физика Емил Конопински по време на конференция по физика в Бъркли през юли 1942 г., ръководена от Дж. Робърт Опенхаймер, който по-късно ще ръководи проекта „Манхатън“. На тази среща Конопински предлага сред няколкото възможни термоядрени реакции деутериево-тритиевият синтез да бъде особено перспективен за използване във връзка с оръжия, базирани на делене.

Любопитен как Конопински стига до това заключение толкова рано в проекта - само няколко месеца след официалното начало на проекта „Манхатън“ - Чадуик и неговият екип от Лос Аламос започват разследване. Изборът на ДТ синтез като най-реалистичната възможност сред многото потенциални реакции се оказва ключово и проницателно решение.

Една вечер, докато претърсва архивите на Изследователския център за национална сигурност, Чадуик открива аудиозапис от 1986 г., в който Конопински обсъжда основанията си за провеждане на ДТ синтез. В записа Конопински размишлява за ранните дни на ядрените изследвания и многократно приписва интереса си към термоядрения синтез на така наречените „предвоенни“ проучвания.

Екипът си сътрудничи с физици-експериментатори от университета Дюк, базирани в ядрената лаборатория на университетите Duke, University of North Carolina at Chapel Hill и Щатския университет на Северна Каролина, за да възпроизведе работата на Рулиг с модерно, стриктно изпълнено копие на оригиналния експеримент. Възпроизвеждането ще бъде придружено от теоретичен и компютърен анализ.

Екипът използва ускорителя „Тандем“ на лабораторията при най-ниската му работна мощност, произвеждайки 3,5-милиметров деутеронов сноп. Те сдвояват този лъч с тънко фолио от кобалтова сплав между вакуума на ускорителя и мишената, което ефективно дублира възможно най-добре 500 keV лъча на Рулиг. Както и през 1938 г., снопът е насочен към мишена от деутерирана фосфорна киселина, като неутронен детектор с течен сцинтилатор проследява интересните неутрони, за да измерва вторичните реакции.

„За разлика от експериментите с термоядрен синтез, като например в усилията за термоядрен синтез с инерционно задържане в Националната инсталация за запалване, ние успяхме да проведем за пръв път в съоръжение за ядрена физика с ниска енергия експеримент с ДТ синтез като вторична реакция след първоначалното взаимодействие между деутерий и деутерий, което осигурява тритий“, каза Вернер Торнов, физик от Университета Дюк за ядрената лаборатория на университетите в Триъгълника. „Тази работа помага да се даде отговор на някои интригуващи въпроси за историята на физиката, но също така е въздействаща за разширяване на възможностите ни за работа с DT синтез в значително по-предизвикателна среда.“

Анализирайки резултатите си, съвременният експеримент наистина наблюдава вторични DT реакции, въпреки че също така предполага, че Рулиг е надценил съотношението, при което е наблюдавал свръхпроизводство на неутрони - продукти на термоядрения синтез; изследователите са открили много по-малко съотношение. Тъй като писмото на Рулиг от 1938 г., в което се описва експериментът, предоставя само оскъдни подробности за това как е стигнал до своето определение, в крайна сметка е трудно да се оцени решително точността на мичиганския физик спрямо съвременните резултати. Изчислената от екипа стойност с помощта на съвременни методи наистина съвпада с измерената стойност, получена от повторения експеримент.

Снимка: Unsplash/University of Michigan / Los Alamos National Laboratory

Виж още: Вече може да моделирате първия сглобен в гараж хуманоиден робот по ваш образ и подобие