根據勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家們的新發現，離子在聚變反應中的行為與之前的預期不同。這一發現為未來激光聚變能源的設計提供了關鍵性的見解。題為”燃燒等離子體中超熱離子分佈的證據”的研究結果在11月14日出版的《自然-物理》雜誌上發表了一篇新論文。

這項工作顯示，對高產燃燒和點燃慣性約束核聚變實驗（ICF）的中子能量測量顯示，對於處於熱平衡狀態的氘-氚（DT）等離子體，產生了高於預期的平均中子能量。

“這意味著正在進行核聚變的離子在最高性能的射擊中擁有比預期更多的能量，這是用於模擬ICF內爆的普通輻射流體力學代碼所不能預測的–或者說能夠預測的，”LLNL物理學家和論文的主要作者Alastair Moore說。

雖然研究人員沒有清楚地了解是什麼驅動了這一觀察，但它是對正在進行核聚變的離子的最直接測量之一，並且沒有被用於了解如何改進ICF內爆和實現實驗室產生一個強大和可靠的點火平台的任務的模擬所捕獲。

Moore解釋說，論文中描述的測量有點像多普勒頻移，導致當一輛緊急車輛開著警笛經過時聽到的音調變化。

“在國家點火設施（NIF）內爆中，如果氘和氚離子在聚變反應發生時向探測器移動，我們就會觀察到來自反應的更高能量-或’音調’-的中子，”Moore說。”這使我們能夠診斷出驅動和膠囊對稱性中的重要不平衡，這可能導致內爆性能不佳，因為一些探測器測量的平均中子能量比其他的高。”

這也為研究人員提供了一個了解等離子體有多熱的窗口。對於一個更熱的等離子體，離子在各個方向上的平均運動速度都更快，因此氘和氚離子以更高的速度碰撞，而這一額外的能量被反應釋放的中子和α粒子所分享。

“這意味著所有的探測器都測量到一個較高的平均中子速度；因為它在所有的探測器中都能看到，我們稱它為各向同性的速度，但它實際上是對氘和氚離子碰撞時可用的額外能量的測量，”Moore說。”正因為如此，它是對正在進行聚變的離子的直接測量。”對於一個熱等離子體來說，這種額外的能量如何隨著溫度的增加而變化，這之間存在著一種固定的關係。

“這個結果的迷人之處在於，我們發現對於DT反應來說，NIF內爆一旦開始燃燒和點燃，就會超過這個關係，表明離子的能量超過了基於我們測量的等離子體溫度的預期，這使我們產生了超熱這個術語，”Moore說。

這項研究的觀察建立在NIF核診斷團隊許多人在過去5-10年的工作上。主要是通過使用NIF上的五個中子飛行時間光譜儀進行最先進的、高精度的測量而實現的。

新的切倫科夫nToF探測器技術的創造意味著研究人員能夠測量速度，其不確定性僅為每秒5千米，如果沒有這個精度，就不會觀察到這種效應。

為了說明這一點，由ICF中的DT核聚變反應產生的中子的平均能量意味著它們的速度超過每秒51000公里。這相當於在不到十分之一秒的時間內從舊金山到紐約。

論文中的數據是在2021年8月1.35MJ的結果之前提交的，研究人員繼續看到令人興奮的結果，隨著我們從燃燒到點燃實驗，繼續這種偏離預期的趨勢。

“對這一結果的一個解釋是，D和T離子沒有處於平衡狀態，”Moore說。”需要更先進的模擬能力來更好地理解這一點，我們正在與洛斯阿拉莫斯國家實驗室、倫敦帝國學院和麻省理工學院的合作者合作，應用這些能力來理解這個問題。”