Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего выявили структурные дефекты в алмазных капсулах, которые используются в экспериментах по термоядерному синтезу на Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF) в Ливерморской национальной лаборатории.
Эти капсулы играют ключевую роль в удержании топлива при высокоэнергетических реакциях, необходимых для термоядерного синтеза. Исследование, опубликованное в журнале Matter, показало, что при экстремальных давлениях и температурах, характерных для термоядерных процессов, алмазы могут подвергаться аморфизации – структурным изменениям, приводящим к дефектам. Эти несовершенства, от незначительных искажений до полной потери упорядоченности кристаллической решетки, могут нарушить симметричность имплозии, что критически важно для успешного осуществления синтеза и максимизации выхода энергии.
Исследование, проведенное под руководством Бойи Ли и Марка Мейерса, проливает свет на процессы аморфизации алмазов, что имеет решающее значение для совершенствования конструкции капсул и повышения эффективности термоядерных экспериментов. Понимание этих дефектов может ускорить разработку технологий термоядерной энергетики.
В работе также отмечается, что собственные дефекты в алмазах, связанные, например, с наличием атомов азота (такие как А-центры и H3-дефекты), могут изменять взаимодействие алмаза со светом и влиять на его физические свойства. Эти дефекты могут образовываться как в процессе роста кристалла, так и под воздействием внешних факторов, включая облучение и термическую обработку при высоких температурах.
Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (NIF) добился значительных успехов в области инерциального удержания плазмы, достигнув зажигания и чистого прироста энергии в экспериментах. Например, эксперимент от 5 декабря 2022 года произвел 3,15 мегаджоуля (МДж) энергии термоядерного синтеза при 2,05 МДж лазерной энергии, что соответствует коэффициенту усиления 1,5. Последующие эксперименты продолжают демонстрировать зажигание с увеличивающимся выходом энергии.
Алмазные капсулы, производимые методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PACVD), используются на NIF с середины 2010-х годов, заменив предыдущие пластиковые капсулы. Симуляции показали, что более высокая плотность алмаза обеспечивает потенциал для улучшения энергоэффективности и стабильности имплозии. Однако дефекты в этих капсулах, такие как поверхностные ямки и пустоты, считались фактором, способствующим смешиванию материала капсулы с топливом, что препятствует надлежащему сжатию и снижает скорость синтеза.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые наблюдали, как алмазные капсулы подвергаются аморфизации, индуцированной ударными волнами, что является ключевым открытием для энергетики термоядерного синтеза. Они обнаружили, что при давлении 115 гигапаскалей (ГПа) давление создает дефекты и нарушения в алмазе, тогда как при 69 ГПа наблюдалась только упругая деформация. Это исследование дает лучшее понимание того, как давление и тепло вызывают аморфизацию.
Аморфный углерод, или аморфный алмаз, представляет собой форму углерода, лишенную кристаллической структуры, но обладающую твердостью, сравнимой с алмазом. Он может образовываться под сверхвысоким давлением и демонстрирует равномерную прочность во всех направлениях, в отличие от кристаллического алмаза. Это свойство может быть полезно для применений, требующих стабильной прочности материала.
Аморфный углерод (a-C) исследуется как новый абляционный материал для капсул следующего поколения в инерциальном термоядерном синтезе (IFE) с целью усиления сжатия топлива и достижения высокого коэффициента усиления. Исследования сосредоточены на понимании физики аморфного углерода при высоких плотностях энергии под давлением.
Понимание кристаллизации углерода, особенно перехода между графитом, алмазом и жидким углеродом, имеет решающее значение для моделирования внутренних частей гигантских планет и достижения зажигания термоядерного синтеза на NIF. Хотя алмаз является стабильной фазой при определенных условиях, графит может спонтанно нуклеироваться даже в области стабильности алмаза из-за различных путей нуклеации. Это исследование помогает обеспечить контролируемые переходы для получения высокоэффективных термоядерных выстрелов.
Результаты работы Ли и Мейерса, как ожидается, будут способствовать улучшению конструкций капсул и моделей для более равномерных имплозий, что в конечном итоге максимизирует выход энергии в экспериментах по термоядерному синтезу и приблизит термоядерную энергетику к реальности.