[논문 리뷰] The earliest DT nuclear fusion discoveries

M. B. Chadwick, G. M. Hale외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 08.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 밀란 대학교에서 1938년 아서 루글리그의 실험을 통해 DT 융합에서 발생하는 14 MeV 중성자를 최초로 보고한 것으로 밝혀내며, 이는 D(d,p)T 생성 이후의 2차 반응을 통해 유추된 것이다. 고전적 자료와 TUNL에서의 현대적 검증을 통해 이 실험이 허브리지 연구의 기초가 된 중요한 초기 발견임을 입증하며, A=5에서 3/2+ 공명 상태로 인해 약 10 keV 플라즈마 온도에서 DT 융합이 공명적으로 증폭되는 것을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 루글리그의 1938년 14 MeV 중성자 관측이 2차 DT 융합 반응을 통해 유추된 것으로서, 역사적 의의를 밝히고 검증한다.
• 이 실험이 과거에 간과되었음에도 불구하고 열핵융합 연구의 방향을 결정하는 데 핵심적인 역할을 했음을 보여준다.
• 로스앨러모스 및 TUNL의 고전 자료를 통해 루글리그의 발견의 진위성과 영향력을 뒷받침하는 증거를 제공한다.
• TUNL의 터널링 밴드 그래프 시설에서 활성화 필름과 중성자 검출기를 사용해 현대적 방식으로 1938년 실험을 재현하고 검증한다.
• 루글리그의 설정과 유사한 실온, 두꺼운 타겟 환경에서의 2차 DT 융합 수율을 정량화한다.

제안 방법

• 로스앨러모스 국립연구소의 고전 기록과 자료를 활용해 1938년 루글리그 실험을 재구성한다.
• TUNL에서 2.2 MeV 디우터론 빔을 1.4 MeV로 감소시켜 기체 디우터륨 타겟에 조사하여 실험을 재현한다.
• Zr 및 Mg 활성화 필름을 사용해 각각 (n,2n) 및 (n,p) 반응을 통해 14 MeV 중성자를 검출하며, 임계 에너지가 DT 중성자 에너지와 일치하도록 한다.
• 인디움 필름을 사용해 (n,n') 반응을 통해 더 낮은 에너지의 DDn 중성자(~3 MeV)를 검출하여 2차 DT 융합 대비 1차 DD 융합의 비율 측정을 가능하게 한다.
• 유기계 섬광체를 사용한 중성자 시간간격 검출 및 프로톤의 상향산란 검출을 통해 결과를 상호 검증한다.
• 12.1 MeV 임계 에너지에서 (n,2n) 반응이 발생하는 것을 확인하기 위해 89Zr의 감쇠 감마선 방출을 정량 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아서 루글리그의 1938년 15 MeV 이상 중성자 관측은 최초로 보고된 DT 융합 중성자인지이며, 이를 뒷받침하는 증거는 무엇인가?
• RQ2 루글리그의 1938년 발견는 초기 융합 연구에 있어 중요성이 있었음에도 불구하고 역사적 문헌에서 왜 간과되었는가?
• RQ3 TUNL에서의 현대 실험은 루글리그의 1938년 실험과 유사한 두꺼운 타겟, 실온 환경에서 2차 DT 융합을 얼마나 잘 재현하고 검증할 수 있는가?
• RQ4 루글리그 실험에서의 2차 DT 대 1차 DD 융합 중성자 비율은 현대 NIF 압축 데이터와 비교해 어떻게 다를 수 있으며, 그 차이의 원인은 무엇인가?
• RQ5 A=5 체계에서 3/2+ 공명 상태는 DT 융합 단면적을 어떻게 증폭시키며, 이는 허브리지 에너지 연구의 방향성에 어떤 영향을 주었는가?

주요 결과

• 루글리그의 1938년 실험은 D(d,p)T 생성 이후 2차 반응을 통해 유추된 14 MeV 중성자에서 DT 융합을 최초로 보고한 것으로 확인된다.
• 실험은 0.5 MeV 디우터론을 D₃PO₄ 타겟에 조사하여 수행되었으며, 15 MeV 이상 중성자는 트리톤이 둔화되는 동안 T(d,n)α 반응으로 기인한다.
• 현대 TUNL 실험은 89Zr 활성화를 통해 14 MeV 중성자를 성공적으로 검출하였으며, 12.1 MeV 임계 에너지에서 (n,2n) 반응이 발생하는 것을 확인하는 명확한 감마선 감쇠 신호를 확보하였다.
• TUNL 실험에서 측정된 2차 DT 대 1차 DD 융합 중성자 비율은 루글리그의 원래 관측과 일치하여 역사적 주장의 타당성을 검증하였다.
• 약 10 keV 플라즈마 온도에서 DT 융합의 공명 증폭은 A=5에서 16.84 MeV에 위치한 3/2+ 준위 상태로 인해 발생하며, 이는 DT 체계의 분리 에너지 16.792 MeV와 매우 가까운 값을 가진다.
• 중요한 의미를 지녔음에도 불구하고, 루글리그의 1938년 논문은 1939년에서 1945년 사이에 단지 7번 인용되었고, 지금까지는 최초의 DT 융합 관측으로 인정받지 못하였다.