Физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории совместно с коллегами воспроизвели важный, но почти забытый физический эксперимент: первое наблюдение синтеза дейтерий-тритий (DT). Об этом рассказывается в статье, опубликованной в журнале Physical Review C. Переосмысление ранее незамеченного эксперимента подтвердило роль физика из Мичиганского университета Артура Рулиха, чей эксперимент 1938 года по наблюдению синтеза дейтерий-тритий, вероятно, заложил основу для физического процесса, который до сих пор влияет на работу в области национальной безопасности и исследования ядерной энергии.
«Как мы выяснили, Рулих предположил, что синтез DT происходит с очень высокой вероятностью, когда дейтерий и тритий сближены достаточно близко», — сказал Марк Чедвик, заместитель директора лаборатории по науке, вычислениям и теории в Лос-Аламосе. «Репликация его эксперимента помогла нам интерпретировать его работу и лучше понять его роль и, по сути, правильные выводы. Курс физики ядерного топлива подтвердил глубокие последствия проницательного озарения Артура Рулиха».
Реакция синтеза DT имеет решающее значение для развития термоядерных технологий, будь то в рамках национальных возможностей ядерного сдерживания или в текущих усилиях по разработке термоядерной энергии для гражданских целей. Например, реакция дейтерий-тритий находится в центре усилий Национального центра зажигания, чтобы использовать термоядерный синтез.
В 2023 году Чедвик вместе с коллегами, включая теоретического физика Марка Пэриса, работал над сборником по ранней истории развития термоядерного синтеза. Хорошо известно, что физик Эмиль Конопински на конференции по физике в Беркли в июле 1942 года, которая стала предвестником Манхэттенского проекта, предположил, что синтез DT, среди множества возможных реакций синтеза, будет особенно выгоден в качестве компонента оружия на основе реакции деления.
Но Чедвик и его коллеги из Лос-Аламоса задались вопросом: как Конопински пришёл к такому выводу о синтезе DT? Выбор наиболее жизнеспособного процесса синтеза среди нескольких вариантов на столь раннем этапе программы, безусловно, оказался удачным решением.
Изучая архив Центра исследований национальной безопасности, Чедвик однажды ночью наткнулся на аудиозапись 1986 года, на которой Конопински рассказывает о принятии решений, связанных с реакциями дейтерий-тритий. Команда выложила запись Конопински на YouTube.
Тритий был открыт в 1934 году командой экспериментального физика Эрнеста Резерфорда. Резерфорд был титаном ранней физики, продвигая модель атома с Нильсом Бором, а также руководил работой Джеймса Чедвика по открытию нейтрона. Начиная с 1934 года, Пэрис изучал опубликованную литературу по физике и в конце концов наткнулся на письмо Рулиха, опубликованное в 1938 году в журнале Physical Review о гамма-лучевом эксперименте.
Рулих работал с взаимодействиями дейтерий-дейтерий: бомбардировал дейтерий пучком дейтронов и изучал гамма-лучевые эффекты. (Дейтрон — это ядро — один нейтрон и один протон — атома дейтерия.) В почти сноске в последнем абзаце письма Рулих описал наблюдение протонов с чрезвычайно высокими энергиями, предположив, что они были порождены вторичными реакциями: нейтроны, возникающие при слиянии тритий-дейтерий, рассеивали протоны из тонкой целлофановой фольги, помещённой внутри облачной камеры.
Он сослался на частный разговор с Гансом Бете, чтобы объяснить то, что увидел. Реакция DT «должна быть чрезвычайно вероятной», — заключил он, предложив количественную оценку одного из тысячи энергичных протонов против протонов с более низкой энергией.
На этом всё и закончилось; на статью Рулиха редко ссылались, а те немногие ссылки касались в основном гамма-излучения. Но Конопински, похоже, запомнил эту работу.
Пэрис и Чедвик собрали воедино разрозненные фрагменты: как оказалось, Рулих и Конопински были студентами Мичиганского университета, пересекаясь в докторантуре в 1930-х годах. Научный руководитель Рулиха Ричард Крейн был коллегой Бете, а Конопински работал над исследовательской стипендией, которую курировал Бете. У них также был общий наставник в лице физика Мичиганского университета Джорджа Уленбека, сооткрывателя спина электрона. И хотя на статью Рулиха ссылались нечасто, это не обязательно означает, что она была неизвестна — журнал был частью регулярной программы чтения многих физиков.
«Доказательства того, что Конопински интерпретировал и принял предложение Рулиха о вероятности синтеза DT, являются косвенными, но, тем не менее, убедительными», — сказал Пэрис. «Нам остаётся задать вопрос: что на самом деле наблюдал Рулих? Согласуются ли его выводы с тем, к чему мы пришли бы с помощью вычислительного подхода и понимания современных поперечных сечений? В конечном счёте, способ ответить на эти оставшиеся вопросы — это воспроизвести эксперимент».
Команда сотрудничала с физиками-экспериментаторами из Университета Дьюка, базирующимися в Треугольной университетской ядерной лаборатории в Северной Каролине, чтобы воспроизвести работу Рулиха с современным, тщательно выполненным дублированием оригинального эксперимента. Воспроизведение сопровождалось теоретическим и вычислительным анализом.
Команда использовала тандемный ускоритель лаборатории при минимальной рабочей мощности, создав пучок дейтронов размером 3,5 мм. Они соединили этот пучок с тонкой фольгой из кобальтового сплава между вакуумом ускорителя и мишенью, которая эффективно дублировала, насколько это возможно, 500-кэВ-пучок Рулиха. Как и в 1938 году, пучок был направлен на мишень из дейтерированной фосфорной кислоты, а жидкий сцинтилляторный детектор нейтронов отслеживал интересующие нейтроны, чтобы оценить вторичные реакции.
«В отличие от экспериментов по термоядерному синтезу, таких как инерционное удержание термоядерного синтеза в Национальном центре зажигания, мы впервые смогли провести эксперимент по термоядерному синтезу DT в качестве вторичной реакции после первоначального взаимодействия дейтерий-дейтерий, которое обеспечивает тритий», — сказал Вернер Торноу, физик из Университета Дьюка в Треугольной университетской ядерной лаборатории. «Эта работа помогает ответить на некоторые интригующие вопросы об истории физики, но также влияет на расширение наших возможностей работать с термоядерным синтезом DT в значительно более сложных условиях».
Анализируя результаты, современный эксперимент действительно наблюдал вторичные реакции DT, хотя это также предполагает, что Рулих переоценил соотношение, при котором он наблюдал избыточное производство нейтронов, продуктов термоядерного синтеза; исследователи обнаружили гораздо меньшее соотношение.
Поскольку в письме Рулиха 1938 года, описывающем эксперимент, содержится лишь скудная информация о том, как он пришёл к такому выводу, в конечном счёте трудно однозначно оценить точность физика Мичигана по сравнению с современными результатами. Рассчитанное командой значение с использованием современных методов совпало с измеренным значением, полученным в результате реплицированного эксперимента.
Важно отметить, что измерения, полученные с помощью экспериментальных методов, используемых Рулихом и перепроверенных исследователями из Лос-Аламоса и Треугольной университетской ядерной лаборатории, могут быть применены к активным усилиям по термоядерному синтезу, таким как в NIF.
«Независимо от несоответствия скорости термоядерного синтеза Рулиха нашему современному пониманию, наша реплика не оставляет сомнений в том, что он был, по крайней мере, качественно прав, когда сказал, что синтез DT «чрезвычайно вероятен»», — сказал Чедвик. «Случайное наблюдение Рулихом синтеза DT вместе с последующими измерениями поперечных сечений Манхэттенского проекта способствовало мирному применению синтеза DT в токамаках, ориентированных на энергетические проекты, и в экспериментах по инерционному удержанию термоядерного синтеза, таких как NIF. Я думаю, мы все гордимся тем, что снова поднимаем Артура Рулиха из истории как важного участника текущих жизненно важных исследований».
Примечательно, что команда опубликовала свои результаты в Physical Review — том же журнале, который опубликовал первое наблюдение Рулиха синтеза DT в 1938 году.
Артур (Арт) Рулих родился 13 июня 1912 года в Мичигане, окончил среднюю школу в Форт-Уэйне, штат Индиана, прежде чем отправиться в Мичиганский университет.
Изучая под руководством Х. Ричарда Крейна, Рулих получил докторскую степень по физике в январе 1938 года за диссертацию «Прохождение быстрых электронов и позитронов через свинец». Критическая публикация Рулиха в Physical Review, «Поиск гамма-лучей от реакции дейтерий-дейтерий», с наблюдением синтеза DT, появилась в августе того же года.
Карьера Рулиха охватывала правительственные и частные промышленные исследования в нескольких дисциплинах. Он присоединился к Морской исследовательской лаборатории в 1940 году в качестве инженера-электрика и проработал в Лаборатории более 15 лет. В 1946 году он работал в исследовательском подразделении ракетной зонды, подразделении Морской исследовательской лаборатории, занимающемся разработкой ракет с приборами для изучения атмосферы. Он стал руководителем диагностической группы, ответственной за усилители и линии передачи.
Имея опыт первого наблюдения синтеза DT в 1938 году, Рулих был одним из первых, кто наблюдал воспламенённое горение плазмы, как это было развёрнуто в серии термоядерных испытаний. Рулих разработал формулу, широко используемую десятилетиями, чтобы определить температуру горящей плазмы по наблюдаемому спектру нейтронов.
В 1956 году Рулих присоединился к компании Aeronutronic (позже приобретённой Ford и объединённой с Philco), управляя лабораторией радаров и электроники. В 1960 году Рулих был назначен менеджером по физике и вычислениям в том, что теперь было подразделением Aeronutronic компании Ford Motor Company в Ньюпорт-Бич, Калифорния, а затем в 1961 году был назначен старшим учёным-исследователем.
Компания отметила «широкую компетентность» Рулиха, проявившуюся во время его пребывания там в 1960-х годах, включая его ценную роль в разработке предложения по лазерной системе для ВВС США. Он свободно читал на немецком, французском и русском языках и был описан как «блестящий учёный», чья «лояльность компании и (…) личная и профессиональная честность находятся на самом высоком уровне».
Артур Рулих женился на своей жене Эмили в 1934 году, и они были женаты почти 67 лет до её смерти в 2001 году. Артур Рулих умер в 2003 году в Санта-Ана, Калифорния.