[論文レビュー] The earliest DT nuclear fusion discoveries

M. B. Chadwick, G. M. Hale+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2023

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ミシガン大学におけるアーサー・ルヒリグの1938年実験を、D(d,p)T生成後の二次反応を介して14 MeVの中性子が最初に観測されたものとして特定する。アーカイブデータとTUNLでの現代的検証を用いて、この発見が核融合研究の初期段階において画期的であったことを確立し、A=5系における3/2+共鳴状態のおかげで、約10 keVのプラズマ温度でDT核融合断面積が顕著に増幅されることを強調する。

ABSTRACT

We describe the earliest measurements of the DT fusion cross section commissioned by the Manhattan Project, first at Purdue University in 1943 and then at Los Alamos 1945-6 and later, in 1951-2. The Los Alamos measurements led to the realization that a 3/2$^+$ resonance in the DT system enhances the fusion cross section by a factor of one hundred at energies relevant to applications. This was a transformational discovery, making the quest for terrestrial fusion energy possible. The earliest measurements were reasonably accurate given the technology of the time and the scarcity of tritium, and were quickly improved to provide cross section data accurate to just a few percent. We provide a previously-unappreciated insight: that DT fusion was first reported in Ruhlig's 1938 University of Michigan experiment and likely influenced Konopinski in 1942 to suggest its usefulness for thermonuclear technologies. We report on preliminary work to repeat the 1938 measurement, and our simulations of that experiment. We also present some work by Fermi, from his 1945 Los Alamos lectures, showing that he used the S-factor concept about a decade before it was introduced by nuclear astrophysicists.

研究の動機と目的

• ルヒリグの1938年における14 MeVの中性子の観測が、二次的DT核融合反応から生じる最初の報告された観測であることを解明し、その歴史的意義を検証すること。
• この初期の実験が、当時無視されていたにもかかわらず、核融合研究の方向性を形作る上で極めて重要であったことを示すこと。
• ロスアラモスおよびTUNLのアーカイブ資料を用いて、ルヒリグの発見の真正性と影響力を裏付ける証拠を提供すること。
• TUNLのタンドレル・ヴァンデグラーフ装置を用いた現代的再現実験を通じて、1938年の観測を検証すること。この実験では、活性化フィルムと中性子検出器を用いる。
• ルヒリグの実験と同等の室温・厚標的環境下での二次的DT核融合生成率を定量的に評価すること。

提案手法

• ロスアラモス国立研究所のアーカイブ資料と歴史的記録を用いて、1938年のルヒリグ実験を再構築した。
• TUNLで、2.2 MeVのデュートリオンビームをガス状デュートリウム標的に照射し、1.4 MeVにエネルギーを低下させて実験を再現した。
• ZrおよびMgの活性化フィルムを用い、それぞれ(n,2n)および(n,p)反応により14 MeVの中性子を検出。閾値エネルギーはDT中性子エネルギーと一致した。
• インジウムフィルムを用いて、低エネルギーのDDn中性子（約3 MeV）を(n,n')反応で検出し、二次的DT核融合と一次的DD核融合の中性子比を測定した。
• 有機シンチレーターを用いた中性子飛行時間法と陽子の上スキャッタ検出を組み合わせ、結果の妥当性を検証した。
• 89Zrのガンマ線崩壊を定量的分析し、12.1 MeVの閾値を持つ(n,2n)反応による14 MeV中性子生成を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アーサー・ルヒリグの1938年における15 MeV以上のエネルギーの中性子の観測は、DT核融合の中性子が最初に報告されたものであり、その根拠は何ですか？
• RQ2 1938年のこの発見は、初期核融合研究にとって極めて重要であるにもかかわらず、なぜ歴史的文献で無視されてきたのでしょうか？
• RQ3 TUNLでの現代的実験は、ルヒリグの実験と同等の室温・厚標的環境下で、二次的DT核融合をどれほど正確に再現・検証できるでしょうか？
• RQ4 ルヒリグの実験における二次的DT核融合と一次的DD核融合の中性子比は、現代のNIFインプラージョンデータと比べてどう異なっているでしょうか？その差異の原因は何でしょうか？
• RQ5 A=5系における3/2+共鳴状態が、DT核融合断面積をどのように増幅させたか、そしてそれが核融合エネルギー研究の道のりにどのような影響を与えたか。

主な発見

• ルヒリグの1938年実験は、D(d,p)T生成後の二次反応を介して14 MeVの中性子が最初に報告されたものとして確認された。
• 実験は0.5 MeVのデュートリオンをD₃PO₄標的に照射し、15 MeV以上のエネルギーの中性子は、トリトンが減速する過程で発生するT(d,n)α反応に起因するとされた。
• 現代のTUNL実験では、89Zrの活性化により14 MeVの中性子が明確に検出され、12.1 MeVの閾値を持つ(n,2n)反応が確認されたガンマ線崩壊信号が得られた。
• TUNL実験で測定された二次的DT核融合と一次的DD核融合の中性子比は、ルヒリグの元の観測と整合的であり、歴史的主張の妥当性が裏付けられた。
• 約10 keVのプラズマ温度におけるDT核融合断面積の共鳴増幅は、A=5系に存在する16.84 MeVの3/2+励起状態に起因し、これはDT系の16.792 MeVの分離エネルギーと非常に近い。
• その重要性にもかかわらず、ルヒリグの1938年論文は1939年から1945年までの間にたった7回しか引用されておらず、本研究の発表まで、最初のDT核融合観測として認識されていなかった。