В Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США) во время экспериментов с инерциальным термоядерным синтезом было обнаружено аномальное поведение ионов в плазме, не согласующееся с теоретическими предсказаниями. Результаты исследования, проведенные на установке National Ignition Facility (NIF), опубликованы в журнале Nature Physics.
В NIF запуск термоядерных реакций проводится с помощью лазеров, которые нагревают так называемые хольраумы — небольшие золотые цилиндры, внутри которых находится капсула с термоядерным топливом, смесью трития и дейтерия. Лазеры облучают внутреннюю стенку цилиндра, которая генерирует тепловое рентгеновское излучение, вызывающее взрыв капсулы. Дейтериево-тритиевое топливо сжимается до давления в сотни гигабар, что создает в его центре горячую точку с температурой около 10 миллионов кельвинов. Термоядерные реакции синтеза производят альфа-частицы, энергия которых способна нагреть все остальное топливо.
Альфа-нагрев приводит к увеличению реактивности топлива, поскольку повышается средняя кинетическая энергия ионов в образующейся при взрыве капсулы плазме. Предполагается, что температуру ионов, связанную с их кинетической энергией, можно определить по измерению спектров энергии нейтронов, возникающих в реакции синтеза. Такие спектры должны содержать информацию о свойствах нагретой плазмы. Например, сдвиги средней энергии нейтронов от номинального значения в 14 мегаэлектронвольт связаны с температурой ионов, средней кинетической энергией ионов и скоростью плазмы.
В ходе очередного эксперимента ученые получили спектры нейтронов с помощью времяпролетных спектрометров, которые позволяют получить информацию об энергии частицы в зависимости от времени ее пролета определенного расстояния (около 20 метров) через среду. Температура ионов определялась по разбросу (дисперсии) спектра кинетической энергии нейтронов, а средняя кинетическая энергия ионов — по сдвигу средней энергии нейтронов.
Для плазмы с тепловыми ионами, в которой не происходит термоядерного нагрева, распределение их энергии соответствовало максвелловскому. Однако для горящей плазмы было выявлено отклонение от ожидаемого максвелловского распределения — ионы имели более высокую энергию при данной температуре, чем предсказывала теория, равную около или выше 10 килоэлектронвольт.
Существуют несколько возможных объяснению этой аномалии: неучтенные кинетические эффекты, влияние гидродинамики плазмы на спектры нейтронов, а также характеристики горения, которые не дают правильно интерпретировать свойства плазмы по спектрам нейтронов. По словам авторов, требуются дальнейшие исследования, чтобы точно определить причины отклонений, которые могут повлиять на получение термоядерной энергии.