Сотрудничество учёных из Лос-Аламоса повторило важный, но почти забытый физический эксперимент: первое наблюдение синтеза дейтерий-тритий (DT). Как описано в статье, опубликованной в журнале Physical Review C, переработка ранее незамеченного эксперимента подтвердила роль физика из Мичиганского университета Артура Рулиха, чей эксперимент 1938 года и наблюдение синтеза дейтерий-тритий, вероятно, заложили основу для физического процесса, который влияет на работу в области национальной безопасности и исследования ядерной энергии до сих пор.
«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 центральное 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. Физики из Лос-Аламоса разработали теорию о том, откуда взялась идея — Рулих, — и затем построили эксперимент, который подтвердил важность и точность предположения Рулиха.
В 2023 году Чедвик работал с коллегами, включая теоретического физика Марка Пэриса, над сборником ранней истории развития термоядерного синтеза. Хорошо известная часть этой истории — предложение на встрече в будущем директора Манхэттенского проекта Дж. Роберта Оппенгеймера в июле 1942 года в Беркли физиком Эмилем Конопински о том, что синтез DT, среди многочисленных 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 однажды ночью, Чедвик наткнулся на аудиозапись 1986 года, на которой Конопински рассказывает о принятии решений, связанных с реакциями дейтерий-тритий. Команда разместила запись Конопински на YouTube. Его голос, доносящийся из прошлого, размышляя о ещё более далёком прошлом, несколько раз приписывал свою мотивацию исследовать исследования дейтерий-тритий знанием «довоенных» исследований.
Тритий был открыт в 1934 году командой физика-экспериментатора Эрнеста Резерфорда. Рулих работал с взаимодействиями дейтерий-на-дейтерий: обстреливая дейтерий пучком дейтронов и изучая гамма-излучение. (Дейтрон — это ядро — один нейтрон и один протон — атома дейтерия.) В почти сноске в заключительном абзаце письма Рулих описал наблюдение протонов с чрезвычайно высокими энергиями, предположив, что они были порождены вторичными реакциями: нейтроны, образующиеся при слиянии тритий-на-дейтерий, рассеивают протоны из тонкой целлофановой фольги, помещённой внутри облачной камеры.
Он сослался на частный разговор с Гансом Бете, чтобы объяснить, что он увидел. Реакция DT «должна быть чрезвычайно вероятной», — заключил он, предложив количественную оценку одного из тысячи энергичных протонов против протонов с более низкой энергией.
И на этом всё; статья Рулиха цитировалась нечасто, причём немногие цитаты касались в основном гамма-излучения. Но Конопински, похоже, помнил об этой работе.
Пэрис и Чедвик собрали воедино все кусочки: как оказалось, Рулих и Конопински были студентами Мичиганского университета, пересекаясь в своих докторских исследованиях в 1930-х годах. Научный руководитель Рулиха Ричард Крейн был коллегой Бете, а Конопински работал над исследовательской стипендией, которой руководил Бете. У них также был наставник в лице физика Мичиганского университета Джорджа Уленбека, сооткрывателя спина электрона. И хотя статья Рулиха цитировалась 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 спросить: 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 Лаборатории ядерных исследований Треугольника в Северной Каролине, чтобы воспроизвести работу Рулиха с современным, тщательно выполненным дублированием оригинального эксперимента.
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, пучок Рулиха мощностью 500 кэВ. 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 синтеза в Национальном центре зажигания, мы впервые смогли провести эксперимент по синтезу DT на низкоэнергетической установке ядерной физики, как вторичную реакцию после начального взаимодействия дейтерий-дейтерий, которое обеспечивает тритий», — сказал Вернер Торноу, физик из Университета Дьюка в Лаборатории ядерных исследований Треугольника. «Эта работа помогает ответить на некоторые интригующие вопросы об истории физики, но она также важна для расширения наших возможностей работы с синтезом DT в значительно более сложных условиях».
При анализе своих результатов современный эксперимент действительно наблюдал вторичные реакции DT, хотя это также предполагает, что Рулих переоценил соотношение, при котором он наблюдал избыточное производство нейтронов, продуктов синтеза; исследователи обнаружили гораздо меньшее соотношение.
Поскольку в письме Рулиха 1938 года, описывающем эксперимент, содержатся лишь скудные подробности 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 действительно согласовалось 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 Лаборатории ядерных исследований Университета Дьюка, могут быть применены к активным усилиям по термоядерному синтезу, таким как в NIF.
«Независимо от несоответствия скорости 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 был «чрезвычайно вероятным»», — сказал Чедвик. «Случайное наблюдение Рулихом синтеза DT вместе с последующими измерениями поперечных сечений в рамках Манхэттенского проекта способствовали мирному применению синтеза DT в токамаках, ориентированных на энергетические проекты, и в экспериментах по инерциальному удержанию синтеза, таких как NIF. Я думаю, мы все гордимся тем, что снова подняли 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 дейтерий-тритий в 1938 году.