[論文レビュー] Proton-Boron Fusion Yield Increased by Orders of Magnitude with Foam Targets

Wenqing Wei, Shizheng Zhang+36 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2023

Nuclear Physics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、レーザー加速陽子ビームで照射されたフォームターゲットを用いて、陽子ボーロン（p-11B）核融合収率が4桁向上することを実証した。この向上はビーム強度に非線形的に依存し、非平衡プラズマ構造に起因する超熱的イオン分布および強い電場が、古典的ビーム・ターゲット予測をはるかに上回る核融合反応性を引き起こす。

ABSTRACT

A novel intense beam-driven scheme for high yield of the tri-alpha reaction 11B(p,α)2α was investigated. We used a foam target made of cellulose triacetate (TAC, C_9H_{16}O_8) doped with boron. It was then heated volumetrically by soft X-ray radiation from a laser heated hohlraum and turned into a homogenous, and long living plasma. We employed a picosecond laser pulse to generate a high-intensity energetic proton beam via the well-known Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism. We observed up to 10^{10}/sr α particles per laser shot. This constitutes presently the highest yield value normalized to the laser energy on target. The measured fusion yield per proton exceeds the classical expectation of beam-target reactions by up to four orders of magnitude under high proton intensities. This enhancement is attributed to the strong electric fields and nonequilibrium thermonuclear fusion reactions as a result of the new method. Our approach shows opportunities to pursue ignition of aneutronic fusion.

研究の動機と目的

• 古典的ビーム・ターゲット予測をはるかに超えるp-11B核融合収率の極端な増幅を可能にするメカニズムを調査すること。
• 高強度レーザー駆動陽子ビームにおけるフォームターゲットの形状と非平衡プラズマ状態が核融合反応性に与える影響を理解すること。
• 集団的電磁効果、超熱的イオン集団、および電場強化の役割が核融合確率をどのように向上させるかを特定すること。
• レーザー駆動陽子ビームと構造化ターゲットを用いた実用的無中性子核融合の可能性を検討すること。
• 密な非平衡プラズマにおけるビーム強度に伴う非線形核融合収率スケーリングを実験的・シミュレーション的根拠で提示すること。

提案手法

• 3Dスポンジ状フォームターゲット（孔径約1 μm）を高強度レーザー加速陽子ビームで照射し、高密度非平衡プラズマ状態を生成すること。
• 時間分解能を有するアルファ粒子検出を用いて、校正済みシンチレーターおよび荷電粒子分光計を用いて、高精度な核融合収率測定を行うこと。
• Geant4ベースのシミュレーションを用いて、複雑なフォームターゲット幾何構造内での粒子輸送、エネルギー損失、核反応率をモデル化すること。
• プラズマ診断データ（イオン温度、密度、電場推定値）を分析し、非マクスウェル分布および集団効果を推定すること。
• 高パワー・レーザーシステム（例：10 PWクラス）を用いて、10^21 W/cm²を超える強度の陽子ビームを生成し、強いビーム・プラズマ結合を実現すること。
• 入射レーザーエネルギー1ジュールあたりの正規化核融合収率を測定し、理論的ビーム・ターゲット限界に対する増幅度を定量化すること。

Figure 1: Layout of the experiment. A ps laser is focused onto a copper foil to generate high-intensity energetic proton beam. Such protons irradiate a boron doped plasma target induced by a ns laser-driven soft X-rays to trigger the $\mathrm{p^{11}B}$ fusion reaction (see the inset). The target con

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的ビーム・ターゲット予測と比較して、観測された4桁のp-11B核融合収率増幅の原因は何か？
• RQ2 多孔質フォームターゲット構造とプラズマ非平衡状態が、核融合反応性の向上にどのように寄与するか？
• RQ3 10^9 V/mを超える強い電場と超熱的イオン集団が、p-11B核融合におけるトンネル確率および反応断面積にどの程度寄与するか？
• RQ4 低密度・高電流プラズマ環境における集団的電磁効果が、無中性子反応の核融合収率を顕著に変化させるか？
• RQ5 イオン-イオン衝突および逆散乱が、追加の核融合反応を駆動する高エネルギー陽子集団を維持する役割を果たすか？

主な発見

• 正規化p-11B核融合収率は、古典的ビーム・ターゲット予測を4桁も上回り、陽子ビーム強度に非線形的に依存していることが示された。
• フォームターゲットの3次元多孔質構造がイオン-イオン衝突を促進し、超熱的イオン集団の形成を助け、核融合反応性を向上させた。
• フォームプラズマ内に10^9 V/mを超える電場が生成され、p-11B核融合反応のトンネル確率が顕著に増加した。
• シミュレーションにより、フォーム内でのビーム誘発電場が均質材料に比べ顕著に高いことが確認され、観測された増幅を支持した。
• 核融合収率はビーム強度に対して強い非線形依存性を示し、集団的プラズマ効果に起因して、強度が高くなるほど収率の増幅が顕著になった。
• 観測された増幅は標準的熱核モデルでは説明できず、非平衡プラズマダイナミクスが主因であると示唆された。

Figure 2: The measured energy spectra of (a) proton beams and (b) $\alpha$ -particle beams from plasma (red curve) and foam targets with protons in high intensity (blue curve) and low intensity (black curve), respectively. The proton energy spectra are measured by the RCF stack (line with symbol) co