Вчені Каліфорнійського університету в Сан-Дієго виявили структурні недоліки в алмазних капсулах, що використовуються в експериментах з термоядерного синтезу на Національній установці запалювання (NIF). Ці капсули є ключовими для утримання палива під час високоенергетичних реакцій синтезу. Під впливом екстремальних тисків і температур, що виникають під час експериментів, алмази можуть розвивати дефекти, від незначних спотворень до повного руйнування структури (аморфізації). Ці недоліки здатні порушити симетричне стиснення, необхідне для успішного синтезу.
Дослідження, проведене під керівництвом Боя Лі та Марка Мейерса, надає важливі відомості про аморфізацію алмазу, що є критично важливим для покращення дизайну та ефективності експериментів з термоядерного синтезу, потенційно прискорюючи розробку термоядерної енергетики. Дослідження, опубліковане в журналі Matter, використовувало молекулярно-динамічне моделювання для пояснення кристалізації вуглецю, зокрема, чому графіт може спонтанно утворюватися, навіть коли алмаз є стабільною фазою за певних умов. Розуміння поведінки вуглецю поблизу потрійної точки графіт-алмаз-рідина є важливим для моделювання внутрішньої будови гігантських планет і досягнення запалювання термоядерного синтезу на NIF.
Національна установка запалювання (NIF) використовує алмазні капсули, виготовлені за допомогою плазмово-хімічного осадження з парової фази (PACVD), з середини 2010-х років. Ці капсули, що містять дейтерій і тритій, стискаються потужними лазерами до екстремальних тисків для досягнення термоядерного синтезу. Дослідження показало, що при тиску 69 гігапаскалів (ГПа) капсули не аморфізувалися, демонструючи лише пружну деформацію. Однак при 115 ГПа тиск спричинив появу дефектів та недоліків в алмазі, що може призвести до асиметричних стиснень і зниження виходу енергії.
Попередні експерименти на NIF, що використовували полімерні капсули, демонстрували менш стабільну роботу порівняно з алмазними. Однак, навіть алмазні капсули не позбавлені недоліків. Дослідження виявило, що дефекти, такі як поверхневі ямки та внутрішні порожнини, можуть суттєво впливати на змішування матеріалу капсули з паливом, перешкоджаючи належному стисненню та знижуючи швидкість синтезу в гарячій точці. Це розуміння допомагає вдосконалювати дизайн капсул для досягнення більш рівномірного стиснення та максимізації виходу енергії в експериментах з термоядерного синтезу, наближаючи людство до використання термоядерного синтезу як практичного джерела енергії.
Алмазні капсули використовувалися в експериментах з високою продуктивністю з 2016 по 2018 рік. Перевага алмазного матеріалу полягає в його кращій ефективності ракетного руху (швидкості імплзії) та тиску абляції порівняно з CH (полімерними) капсулами. Результати дослідження можуть допомогти в розробці покращених конструкцій капсул та моделей для досягнення більш рівномірних імплзій, тим самим максимізуючи вихід енергії в експериментах з термоядерного синтезу. Дослідження частково підтримано Міністерством енергетики США.