Плавлення алмазу під надвисоким тиском: прорив, що потроює вихід термоядерної енергії та розкриває таємниці Урана і Нептуна

Чому точність важлива для інерційного термоядерного синтезу

На Національному комплексі лазерних термоядерних реакцій (NIF) алмаз використовується як оболонка-аблятор, що оточує термоядерне паливо під час імплозій . Від поведінки алмазу під час плавлення та рівняння його стану, яке визначає реакцію капсули на екстремальний тиск і тепло, критично залежить досягнення ефективного стиснення.

Застосування скоригованих даних про плавлення, на думку дослідників, дозволить «потроїти енерговиграш» від термоядерних імплозій NIF завдяки ефективнішому стисненню та кращому дизайну капсул . Це є значним кроком до мети зробити інерційний термоядерний синтез життєздатним джерелом енергії.

Що це означає для Урана та Нептуна

Експерименти досягли тиску та температур, що перевищують параметри в надрах крижаних гігантів, вперше безпосередньо підтвердивши, що кристалічний алмаз може залишатися стабільним глибоко всередині Урана та Нептуна . Дані показують, що за таких умов алмаз плавиться, перетворюючись на густішу металеву рідину, що безпосередньо впливає на моделі структури планет, їхньої теплової еволюції і навіть на утворення алмазного «дощу» в надрах цих світів .

Це дослідження спирається на попередні роботи з ударного стиснення, які вже припускали, що алмаз може бути стабільним глибоко всередині планет-гігантів, демонструючи, що крива плавлення має від'ємний нахил Клапейрона за надвисоких тисків — алмаз стає щільнішим під час плавлення, що протилежно тому, що відбувається з льодом на поверхні Землі .

Рідкісне узгодження теорії та експерименту

Розбіжності між експериментальними та обчислювальними результатами є звичайною справою у фізиці високих тисків, але вони рідко усуваються так чітко. Поєднання вдосконалених методів діагностики та рентгенівської дифракції дозволило команді LLNL виміряти те, що не могли попередні експерименти, і результат збігся з теорією в межах похибки .

Отримані дані також можуть мати ширше значення для фазової поведінки вуглецю: алмаз є стабільною алотропною модифікацією вуглецю за тиску до 1 терапаскаля, проте за цим порогом розрахунки передбачають утворення об'ємно-центрованої кубічної структури (BC8), а за тиску понад 3 ТПа — простої кубічної структури . Це нове розуміння кривої плавлення алмазу дозволить уточнити фазову діаграму вуглецю за екстремальних умов, де можуть з'являтися ці інші фази.