Новый метод измерения плавления алмаза может утроить выход термоядерной энергии и объяснить строение ледяных гигантов

Почему точность важна для инерциального термоядерного синтеза

В Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций (NIF) алмаз используется в качестве оболочки-аблятора, которая заключает в себе термоядерное топливо во время имплозии . Поведение алмаза при плавлении и уравнение состояния, определяющее реакцию капсулы на экстремальное давление и тепло, имеют решающее значение для достижения эффективного сжатия.

Применяя скорректированные данные о плавлении, исследователи полагают, что смогут "утроить энергетическую отдачу" от термоядерных имплозий NIF за счет более эффективного сжатия и улучшенной конструкции капсулы . Это представляет собой значительный шаг к цели превращения инерциального термоядерного синтеза в жизнеспособный источник энергии.

Что это значит для Урана и Нептуна

Эксперименты достигли давлений и температур, превышающих те, что встречаются в недрах ледяных гигантов, и впервые напрямую подтвердили, что кристаллический алмаз может оставаться стабильным глубоко внутри Урана и Нептуна . Данные показывают, что в этих условиях алмаз плавится, превращаясь в более плотную, металлическую жидкость, что напрямую влияет на модели строения планет, их тепловой эволюции и даже на образование "алмазных дождей" в этих мирах .

Это исследование опирается на более ранние работы по ударному сжатию, которые уже предполагали, что алмаз может быть стабильным глубоко внутри планет-гигантов, показывая, что кривая плавления имеет отрицательный наклон Клапейрона при сверхвысоких давлениях — алмаз становится плотнее при плавлении, что противоположно поведению льда на поверхности Земли .

Редкое согласование теории и эксперимента

Расхождения между экспериментальными и вычислительными результатами — обычное дело в физике высоких давлений, но они редко разрешаются так чисто, как в этот раз. Сочетание улучшенной диагностики и рентгеновской дифракции позволило команде LLNL измерить то, что не могли предыдущие эксперименты, и результат совпал с теорией в пределах погрешности .

Полученные данные могут также иметь более широкое значение для понимания фазового поведения углерода: алмаз является стабильной аллотропной модификацией углерода при давлениях до 1 терапаскаля, но за этим порогом, согласно расчетам, ожидается формирование объемно-центрированной кубической структуры (BC8), а при давлениях выше 3 ТПа — простой кубической структуры . Это новое понимание кривой плавления алмаза позволит уточнить фазовую диаграмму углерода в экстремальных условиях, где могут появляться эти другие фазы.