Une collaboration de Los Alamos a reproduit une expérience physique importante mais largement oubliée: la première observation de fusion de deutérium-tritium (DT). Comme décrit dans l'article publié dans Revue physique cle retravail de l'expérience inédite a confirmé le rôle du physicien de l'Université du Michigan Arthur Ruhlig, dont l'expérience et l'observation de la fusion de deuterium-tritium ont probablement planté la semence d'un processus physique qui informe les travaux de sécurité nationale et la recherche sur l'énergie nucléaire à ce jour.
« Comme nous l'avons découvert, la contribution de Ruhlig a été de supposer que la fusion DT se produit avec une très grande probabilité lorsque le deutérium et le tritium sont suffisamment rapprochés », a déclaré Mark Chadwick, directeur associé de laboratoire pour la science, le calcul et la théorie à Los Alamos. « La réplication de son expérience nous a aidés à interpréter son travail et à mieux comprendre son rôle, et ce qui s'est avéré être ses conclusions essentiellement correctes. Le cours de la physique du combustible nucléaire a confirmé les conséquences profondes de la perspicacité intelligente d'Arthur Ruhlig. »
La réaction de fusion DT est centrale pour permettre les technologies de fusion, que ce soit dans le cadre des capacités de dissuasion nucléaire du pays ou dans des efforts continus pour développer la fusion pour l'énergie civile. Par exemple, la réaction du deutérium-tritium est au centre des efforts de l'installation nationale d'allumage pour exploiter la fusion. Les physiciens de Los Alamos ont développé une théorie de l'origine de l'idée – du ruhlig – puis ont construit une expérience qui confirmerait l'importation et la précision de la suggestion de Ruhlig.
Trouver l'origine de DT Fusion
En 2023, Chadwick travaillait avec des collègues, dont le physicien théorique Mark Paris, sur un recueil de la première histoire du développement de la fusion. Une partie raisonnablement bien connue de cette histoire est la suggestion – à une réunion à la future conférence de la physique du projet de Manhattan, J. Robert Oppenheimer, la conférence de la physique de Berkeley en juillet 1942 – par le physicien Emil Konopinski, que la fusion DT, parmi de nombreuses réactions de fusion possibles, serait particulièrement avantageuse en tant que composante d'une arme de réaction de fission.
Mais Chadwick et ses collègues de Los Alamos se sont demandé: comment Konopinski est-il arrivé à cette idée de DT Fusion? Saisissant le processus de fusion le plus viable parmi plusieurs options au début du programme – le projet de Manhattan avait commencé sérieusement quelques mois auparavant – s'est certainement avéré une décision fortuite.
En fouillant les archives du Centre de recherche sur la sécurité nationale un soir, Chadwick est tombé sur un enregistrement audio en 1986 de Konopinski racontant la prise de décision autour des réactions Deuterium-Tritium. (L'équipe a rendu l'enregistrement Konopinski disponible sur YouTube.) Sa voix sortant du passé, réfléchissant à plusieurs reprises sur un passé encore plus passé, Konopinski a attribué sa motivation à explorer la recherche de deuterium-tritium à sa connaissance de la recherche « d'avant-guerre ».
Tritium a été découvert en 1934 par l'équipe du physicien expérimental Ernest Rutherford. Rutherford était un titan de la physique précoce, ayant avancé le modèle de l'atome avec Niels Bohr, et ayant également supervisé les travaux de James Chadwick pour découvrir le neutron. À partir de 1934, Paris a parcouru la littérature de physique publiée, en rencontrant finalement la lettre de Ruhlig, 1938 à l'éditeur publié dans Revue physique À propos d'une expérience de rayons gamma.
Ruhlig travaillait avec les interactions de deutérium-sur-deutérium: explosion de deutérium avec un faisceau de Deuterons et étudiant les effets des rayons gamma. (Un deutéron est le noyau – un neutron et un proton – d'un atome de deutérium.) Dans ce qui est presque un côté dans le paragraphe final de la lettre, Ruhlig a décrit l'observation des protons avec des énergies extrêmement élevées, en déduisant qu'ils ont été générés par des réactions secondaires: Tritium-on-Deuterium Fusion Chaber de la chambre de nuage.
Il a cité une conversation privée avec Hans Bethe pour déballer ce qu'il avait vu. La réaction DT « doit être extrêmement probable », a-t-il conclu, offrant une estimation quantitative de un dans 1 000 protons énergiques contre des protons à l'énergie inférieure.
Et là, l'affaire a chuté; Le document de Ruhlig a été rarement cité, les quelques citations portant principalement sur les problèmes de rayons gamma. Mais Konopinski semble s'être souvenu du travail.
Paris et Chadwick ont rassemblé les pièces: comme cela se produit, Ruhlig et Konopinski étaient tous deux des étudiants de l'Université du Michigan, se chevauchant dans leurs études de doctorat dans les années 1930. Le conseiller de thèse de Ruhlig, Richard Crane, était un collègue de Bethe, et Konopinski a siégé à une bourse de recherche supervisée par Bethe. Ils ont également partagé un mentor dans le physicien de l'Université du Michigan, George Uhlenbeck, co-décurateur de Electron Spin. Et bien que l'article de Ruhlig n'ait pas été souvent cité, cela ne signifie pas nécessairement qu'il était inconnu – le journal aurait fait partie de la lecture régulière de nombreux physiciens.
« Les preuves de Konopinski interprétent et prenant la suggestion de Ruhlig de la probabilité de fusion DT sont circonstancielles, mais néanmoins fortes », a déclaré Paris. « Nous nous sommes laissés demander, qu'est-ce que Ruhlig a réellement observé? Ses conclusions conformes à ce que nous arriverions avec une approche informatique et une compréhension des sections transversales modernes? En fin de compte, la façon de répondre à ces questions restantes est de reproduire l'expérience. »
Chadwick a mentionné l'article Ruhlig et leurs théories sur le rôle de l'expérience de 1938 dans le développement de DT Fusion, au directeur de laboratoire Thom Mason, qui a insisté pour que l'équipe mette une expérience – pas juste une simulation – pour valider leurs conclusions.
Reproduire l'expérience
L'équipe a collaboré avec des physiciens expérimentaux de l'Université Duke, basé au Triangle Universities Nuclear Laboratory en Caroline du Nord, pour reproduire le travail de Ruhlig avec une duplication moderne et rigoureusement exécutée de l'expérience originale. La reproduction serait accompagnée d'une analyse théorique et informatique.
L'équipe a utilisé l'accélérateur en tandem du laboratoire à sa puissance de fonctionnement la plus basse, produisant un faisceau de Deuteron de 3,5 mm. Ils ont associé ce faisceau avec une fine feuille d'alliage cobalt entre le vide de l'accélérateur et la cible qui dupliquée efficacement le mieux possible de Ruhlig. Comme en 1938, le faisceau a été dirigé vers une cible d'acide phosphorique deutéré, avec un détecteur de neutrons de scitillateur liquide suivant les neutrons d'intérêt pour évaluer les réactions secondaires.
« Contrairement aux expériences de fusion telles que dans les efforts de fusion de confinement inertiel à l'établissement national d'allumage, nous avons pu effectuer, pour la première fois dans une installation de physique nucléaire à faible énergie, une expérience de fusion DT comme une réaction secondaire après l'interaction initiale de Deuterium-Deterium qui fournit le Tritium University, a déclaré Werner Tornew, Physicien de l'Université Duke pour le Triangle Universatory. « Ce travail aide à répondre à certaines questions intrigantes sur l'histoire de la physique, mais elle a également un impact pour étendre notre capacité à travailler avec la fusion DT dans un environnement considérablement plus difficile. »
Confirmer les observations essentielles de Ruhlig
En analysant leurs résultats, l'expérience moderne a observé des réactions de DT secondaires, bien qu'elle suggère également que Ruhlig a surestimé le rapport auquel il voyait une production excessive de neutrons, les produits de la fusion; Les chercheurs ont détecté un rapport beaucoup plus petit.
Comme la lettre de 1938 de Ruhlig décrivant l'expérience ne fournit que des détails clairsemés sur la façon dont il est arrivé à sa détermination, il est finalement difficile d'évaluer de manière décisive la précision du physicien du Michigan contre les résultats modernes. La valeur calculée de l'équipe à l'aide de méthodes modernes était d'accord avec la valeur de mesure glanée à partir de l'expérience répliquée.
Surtout, les mesures dérivées des techniques expérimentales utilisées par Ruhlig et re-testées par les chercheurs de laboratoire nucléaire de Los Alamos et Triangle peuvent être appliquées à des efforts de fusion actifs tels que le NIF.
« Indépendamment de l'incohérence du taux de fusion de Ruhlig contre notre compréhension moderne, notre réplication ne fait aucun doute qu'il était au moins qualitativement correct quand il a dit que la fusion DT était » extrêmement probable « », a déclaré Chadwick. « L'observation accidentelle de Ruhlig de la fusion DT, ainsi que des mesures transversales du projet Manhattan ultérieures, ont contribué à l'application pacifique de la fusion DT dans les tokamaks axés sur les projets énergétiques et dans les expériences de fusion de confinement inertiel comme le NIF. Je pense que nous sommes tous fiers de soulever la recherche Vitale Arthur. »
Notamment, l'équipe a publié ses résultats Revue physique—Le même journal qui a publié la première observation de Ruhlig de DT Fusion en 1938.
Arthur J. Ruhlig: Une vie physique
Alors qu'Arthur (Art) Ruhlig n'a jamais reçu de grande envergure pour son observation initiale de la fusion du deutérium-tritium, il a contribué à la physique essentielle pendant de nombreuses années. Né le 13 juin 1912 au Michigan, il est diplômé du lycée de Fort Wayne, Indiana, avant de partir pour l'Université du Michigan.
Études sous H. Richard Crane, Ruhlig a reçu un doctorat en physique en janvier 1938 pour sa thèse, « Le passage des électrons rapides et des positrons à travers le plomb ». La publication critique de Ruhlig dans Revue physique« Recherche de rayons gamma à partir de la réaction de Deuteron-Deteron », avec son observation de la fusion DT, suivi en août de la même année.
La carrière de Ruhlig a duré des recherches sur le gouvernement et l'industrie privée dans quelques disciplines. Il a rejoint le Naval Research Laboratory en 1940 en tant qu'ingénieur électricien, et il a été avec le laboratoire depuis plus de 15 ans. En 1946, il était dans la branche de recherche Rocket Sonde, un bras du laboratoire de recherche naval chargé de développer une fusée qui utilise des instruments pour étudier l'atmosphère. Il est devenu la tête de branche la première de la division des rayonnements puis du groupe de tubes électroniques. Une grande partie de son travail de cette époque a été et reste classée, bien qu'il ait parfois publié dans la littérature ouverte.
Dans un virage fortuite, Ruhlig était membre d'une équipe de laboratoire de recherche navale qui a soutenu l'opération de Los Alamos en 1951 Greenhouse dans le Pacifique. Ruhlig a dirigé un groupe de diagnostic responsable des amplificateurs et des lignes de transmission. Ayant été le premier à observer la fusion de la DT en 1938, il a donc été parmi les premiers à observer le plasma de fusion brûlant enflammé dans la série de tests thermonucléaires. Ruhlig a développé une formule, largement utilisée pendant des décennies, pour déduire la température d'un plasma brûlant du spectre de neutrons observé.
En 1956, Ruhlig a rejoint la société d'ingénierie et de recherche Aeronutronic (achetée plus tard par Ford et a fusionné avec Philco), gérant un laboratoire de radar et d'électronique. En 1960, Ruhlig a été nommé directeur de la physique et de l'informatique pour ce qui était maintenant la division aéronutronique de Ford Motor Company à Newport Beach, en Californie, puis en 1961 a été nommée scientifique supérieur.
L'entreprise a noté que la «compétence étendue» de Ruhlig exposée pendant son mandat là-bas dans les années 1960, y compris son précieux rôle dans le développement d'une proposition de système laser pour l'US Air Force. Il pouvait clairement lire en allemand, en français et en russe et a été félicité en tant que «brillant scientifique», dont la «fidélité de l'entreprise et (…) l'intégrité personnelle et professionnelle sont de plus en plus élevé».
Un homme axé sur la famille, Ruhlig a épousé sa femme, Emily, en 1934, et ils se sont mariés pendant près de 67 ans avant sa mort en 2001. Arthur Ruhlig est décédé en 2003 à Santa Ana, en Californie. L'équipe de recherche de l'Université de Los Alamos-Duke reproduisant l'expérience liée à la fille de Ruhlig Vivian Lamb, vivant en Caroline du Nord. Elle avait cherché l'histoire familiale à partager avec sa petite-fille et, en voyant la demande d'informations de l'équipe sur Ruhlig en ligne, a contacté l'équipe de recherche et a gracieusement partagé son temps et ses souvenirs.
Elle a également transmis une image de son père travailleur, probablement à partir de quelque temps que ses travaux de 1938 – un portrait de, dans les mots de Vivian, le « scientifique consommé », celui qui a associé une « curiosité de toute une vie sur les problèmes de physique » avec un « respect de respect des expériences scientifiques minutieuses ».
