Танення алмазу відкриває шлях до потрійного приросту термоядерної енергії

Алмаз виявився не лише коштовним каменем, а й ключем до ефективнішого термоядерного синтезу та кращого розуміння планет-гігантів. У новому дослідженні, опублікованому в Nature Physics, команда Ліверморської національної лабораторії ім. Лоуренса (LLNL) показала, як алмаз тане за тисків, утричі вищих за умови в центрі Землі, і підтвердила, що за екстремальних тисків він плаває в металевому рідкому вуглеці подібно до того, як крига плаває на воді. Про результати розповідає Newswise Science News.

Алмаз становить оболонку крихітних капсул з паливом для інерційного термоядерного синтезу. Крім того, вчені підозрюють, що в надрах крижаних гігантів, як-от Нептун та Уран, може йти «алмазний дощ». В обох випадках матеріал зазнає колосальних тисків, але донині експерименти та комп’ютерні моделі не збігалися в описі його поведінки.

Як алмаз поводиться під гігантським тиском

Дослідники LLNL задокументували танення алмазу за тисків, вищих за умови в центрах Нептуна й Урана, і температур, гарячіших за поверхню Сонця. Вони використовували мікроскопічні зразки алмазу та шоково стискали їх, одночасно вимірюючи атомну структуру, температуру, густину й оптичну відбивну здатність.

Ця робота усунула дві давні суперечності: узгодила результати експериментів із квантовомеханічними розрахунками та дала підстави переглянути моделі надр планет. Застосування нових даних до інерційного термоядерного синтезу, за оцінками, може утричі збільшити енергетичний приріст, якщо вдасться уникнути інших втрат.

Двадцятирічна загадка танення алмазу

LLNL вивчає екстремальні властивості алмазу протягом десятиліть. Ще близько 20 років тому команда Джона Еггерта провела перші експерименти з високотемпературного плавлення та виявила, що густина алмазу при таненні зростає. Це нетипово для більшості матеріалів, але нагадує ситуацію з водою: рідка вода щільніша за лід, тому крижини плавають на поверхні. Аналогічно, за високих тисків алмаз має плавати в рідкому вуглеці.

Водночас тодішні дані породили нову проблему: спостережувана температура плавлення відрізнялася від розрахованої приблизно на 20%. Навіть найпросунутіші комп’ютерні моделі не могли відтворити результати.

Подальші досліди на установці Z в Сандійській національній лабораторії додали ще одну загадку. Під час шокового стиску з’явилися ознаки того, що алмаз перед плавленням переходить у іншу кристалічну фазу. Симуляції підтримували таку можливість, але без прямого вимірювання атомної структури це залишалося гіпотезою.

Лазерний стиск і точніші вимірювання

Щоб розв’язати обидва питання, команда LLNL провела лазерно-імпульсні експерименти динамічного стиску в Лабораторії лазерної енергетики Університету Рочестера на установці Omega. Потужний лазер випаровував зовнішній шар зразка, створюючи ударну хвилю, що стискала алмаз із величезною силою.

Найскладнішим завданням було встигнути зафіксувати всі параметри за надзвичайно короткий час — стан високого тиску тривав лише близько однієї мільярдної частки секунди. За цей час дослідники мали отримати дані рентгенівської дифракції, які показують атомну структуру, а також визначити температуру та густину.

Це стало першим випадком, коли шоково стислий алмаз спостерігали методом рентгенівської дифракції аж до самого моменту плавлення. Карбон має легкі атоми й слабко розсіює рентгенівське випромінювання, тому потрібний сигнал був дуже слабким, а розробка та вдосконалення діагностичних інструментів — критично важливими.

Результатом стала нова, значно точніша оцінка температури танення, яка практично ідеально збіглася з квантовомеханічними розрахунками й усунула 20-річну розбіжність. Виявилося, що попередні температурні вимірювання помилялися більш ніж на 1000 градусів, але саме факт плавлення тепер безпосередньо підтверджено рентгенівськими даними.

Водночас нові вимірювання показали, що за умов одиночного удару алмаз зберігає свою кристалічну структуру аж до танення, без проміжних фаз, які раніше припускали за результатами дослідів із Z-установки. Дослідники вважають, що за надто короткого впливу матеріал просто не встигає перебудувати кристалічну решітку й залишається «застряглим» у фазі алмазу.

Це означає, що реакція матеріалу залежить не лише від тиску й температури, а й від того, як саме та з якою швидкістю прикладається удар. Такий нюанс є важливим для майбутніх експериментів з високою енергоємністю та моделювання.

Потрійний енергетичний приріст у термоядерному синтезі

Установка National Ignition Facility (NIF) у LLNL використовує потужні лазери, щоб створювати ударні хвилі, які стискають крихітну алмазну капсулу з термоядерним паливом всередині. Під час імплозії паливо має досягти надзвичайних тисків і температур, необхідних для початку реакцій синтезу.

Щоб зменшити нерівності імплозії, перший удар зазвичай роблять досить сильним, аби перетворити алмазну оболонку на рівномірну рідину ще на початку процесу. Нові дані вказують, що для повного плавлення алмазу можна використовувати дещо повільніший початковий удар.

Більш повільний удар робить паливо всередині капсули більш стисливим, що потенційно дає змогу досягти вищого пікового стиснення без збільшення енергії лазера. Моделювання показує, що за таких умов енергетичний приріст термоядерної реакції може зрости приблизно втричі, якщо вдасться взяти під контроль інші механізми втрат.

Алмазний дощ на Нептуні й Урані

Робота також має суттєві наслідки для планетології. Надра крижаних гігантів, як-от Уран і Нептун, залишаються недоступними для прямих спостережень, тому науковці користуються лабораторними експериментами та моделями. Деякі дослідження припускають, що глибоко всередині цих планет вуглець може кристалізуватися й утворювати «алмазний дощ», який опускається вглиб.

Оскільки нові експерименти досліджували алмаз за тисків, вищих за очікувані всередині крижаних гігантів, отримані дані про його танення та стійкість фаз дають надійну основу для більш реалістичних моделей формування й еволюції таких планет.

Надалі команда LLNL планує використати можливості NIF для вивчення поведінки алмазу за ще екстремальніших умов. Мета — краще описати реакцію алмазної капсули на наступні стадії імплозії та з’ясувати межі стабільності алмазної структури за серійних ударних хвиль.