[论文解读] 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 5

一句话总结

本文将密歇根大学阿瑟·鲁利格1938年的实验确认为首次报道的从DT聚变中产生的14 MeV中子，其通过D(d,p)T反应后的次级反应推断得出。利用档案数据和TUNL的现代验证，该研究确立了这一发现作为早期聚变研究的关键里程碑，凸显了在约10 keV离子温度下，由于A=5体系中3/2+共振态的存在，DT聚变截面出现显著增强的现象。

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.

研究动机与目标

• 揭示并验证鲁利格1938年对次级DT聚变反应中14 MeV中子观测的历史意义。
• 证明尽管被忽视，这一早期实验对聚变能研究方向的形成起到了关键作用。
• 提供来自洛斯阿拉莫斯和TUNL的档案证据，以支持鲁利格发现的真实性与影响力。
• 通过TUNL三重大学核实验室的现代实验复现，利用活化箔片和中子探测技术验证1938年的观测结果。
• 量化在室温、厚靶环境下的次级DT聚变产额，与鲁利格实验条件保持一致。

提出的方法

• 基于洛斯阿拉莫斯国家实验室的档案资料和历史记录，重建了1938年鲁利格的实验。
• 在三角大学核实验室（TUNL）使用2.2 MeV氘离子束，经降能至1.4 MeV，轰击气态氘靶，复现实验。
• 采用锆（Zr）和镁（Mg）活化箔片，分别通过(n,2n)和(n,p)反应探测14 MeV中子，其阈值能量与DT中子能量相匹配。
• 使用铟箔片通过(n,n')反应探测低能DDn中子（约3 MeV），实现对次级DT与初级DD聚变中子产额比的测量。
• 结合中子飞行时间探测与有机闪烁体探测，以及质子反散射检测，交叉验证实验结果。
• 对89Zr的伽马射线衰变进行定量分析，以确认14 MeV中子的产生，利用(n,2n)反应12.1 MeV的阈值能量作为依据。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿瑟·鲁利格1938年对15 MeV以上中子的观测是否为首次报道的DT聚变中子？其证据是什么？
• RQ2 尽管对早期聚变研究具有重要意义，为何鲁利格1938年的发现长期被历史文献所忽视？
• RQ3 现代TUNL实验在多大程度上能够复现并验证鲁利格在厚靶、室温环境下的次级DT聚变观测？
• RQ4 鲁利格实验中次级DT与初级DD聚变中子的产额比与现代NIF压缩实验数据相比如何？造成差异的原因是什么？
• RQ5 A=5体系中3/2+共振态在多大程度上增强了DT聚变截面？它如何影响了聚变能研究的发展轨迹？

主要发现

• 鲁利格1938年的实验被确认为首次报道的来自DT聚变的14 MeV中子，其通过D(d,p)T反应后产生的次级反应推断得出。
• 该实验使用0.5 MeV氘离子轰击D₃PO₄靶，15 MeV以上的中子被归因于氚核减速过程中发生的T(d,n)α反应。
• 现代TUNL实验通过89Zr活化成功探测到14 MeV中子，其伽马射线衰变信号清晰，证实了(n,2n)反应在12.1 MeV阈值处的发生。
• TUNL实验测得的次级DT与初级DD聚变中子产额比与鲁利格原始观测结果一致，验证了其历史发现的真实性。
• DT聚变在约10 keV离子温度下的共振增强，源于A=5体系中16.84 MeV处的3/2+激发态，其与DT体系16.792 MeV的分离能极为接近。
• 尽管具有重要意义，鲁利格1938年的论文在1939至1945年间仅被引用七次，且直到现在才被文献认定为首次报道DT聚变观测的成果。