Японские физики сообщили о первом измерении зависимости показателя преломления дейтерий-тритиевой смеси в твердой и жидкой фазе от температуры. Исследование позволило уточнить существующие эмпирические закономерности, что может быть использовано для быстрого контроля качества топлива для управляемого термоядерного синтеза.

Работа опубликована в Scientific Reports.

Реакция превращения дейтерия и трития в гелий и высокоэнергетический нейтрон обладает большим эффективным сечением и потому считается наиболее перспективной для реализации управляемого термоядерного синтеза. Физики используют или планируют использовать дейтерий-тритиевое топливо, как в магнитном (JET, ITER, DEMO), так и в инерционном термоядерном синтезе (NIF, KOYO-F, LIFT). Во всех случаях топливо должно подаваться непрерывно — следовательно, нужны методы быстрого контроля качества.

Свет выглядит наилучшим инструментом для этого. Так, простое измерение показателя преломления твердой дейтерий-тритиевой смеси могло бы моментально давать информацию об отношении обоих изотопов, поскольку их оптические свойства по отдельности ощутимо различимы. Во всяком случае, такие выводы можно делать на основе аналогичного исследования водородно-дейтериевой смеси. По дейтерий-тритиевым смесям таких исследований нет. В настоящее время существует лишь эмпирическая формула, чьи параметры, однако, известны лишь очень грубо, и их точностей недостаточно для рефрактометрического анализа поступающего топлива.

Японские физики под руководством Такаёси Норимацу (Takayoshi Norimatsu) и Кохэй Яманой (Kohei Yamanoi) из Университета Осаки сообщили об измерении показателя преломления твердой и жидкой дейтерий-тритиевой смеси для диапазона температур. Для этого они помещали рефрактометр в криогенные условия и заполняли его призму смесью. В результате они добились точности измерения показателя преломления в четвертом знаке после запятой.

Для работы с молекулярными изотопами водорода авторы использовали слой сплава циркония и никеля. При подаче газа, водород связывается с металлами с образованием гидридов. Термическая обработка слоя высвобождает атомарный водород, который затем объединяется в молекулы. Таким способом физики смогли создавать почти эквимолярные дейтерий-тритиевые смеси, а также обеспечивать поступление газов непосредственно в рабочую область рефрактометра.

Рефрактометр состоял из стеклянных окон, которые окружали кювету в виде призмы с преломляющим углом 9,43 градуса. Вся система была окружена двумя термоизолирующими экранами и системой охлаждения, которая позволяла независимо контролировать температуру в верхней и нижней частях призмы, а излучение лазера с длиной волны 543 подводилось и отводилось через кварцевые стекла. Авторы делали выводы о показателе преломления вещества, заполняющего кювету, по смещению луча на двух экранах за пределами установки.

Сначала физики откалибровали рефрактометр с помощью серии экспериментов с обычным водородом, чьи оптические свойства уже были изучены ранее, а затем измерили показатели преломления чистого дейтерия и дейтерий-тритиевой смеси в жидкой и твердой фазе. Для этого они настраивали температуру чуть выше соответствующих тройных точек, а затем медленно ее снижали.

В результате ученые выяснили, что показатель преломления твердой дейтерий-тритиевой смеси в пропорции 54:45 увеличивается с уменьшением температуры от 1,1618 ± 0.0002 при 19,404 кельвин до 1,1628 ± 0.0002 при 17,89 кельвин. Похожим образом ведет себя твердый дейтерий. Такое поведение согласуется с теорией, согласно которой на оптические свойства водородных молекулярных кристаллов влияет температурное расширение, а также температурная зависимость электронной поляризуемости.

Измеренные зависимости показателей преломления от температуры для чистого дейтерия (синие треугольники) и дейтерий-тритиевой смеси (красные кружочки). Пунктирными линиями показаны температуры плавления. Полыми фигурами обозначены литературные данные.Keisuke Iwano et al. / Scientific Reports, 2022

Физики не стали подробно изучать температурную зависимость показателя преломления от температуры в жидкой фазе, ограничившись лишь значениями чуть выше тройных точек. Также, они не проводили рефрактометрию для различных пропорций дейтерий-тритиевой смеси. Тем не менее, они получили две точки этой зависимости (чистый дейтерий и почти равная смесь), что позволило им оценить то, насколько точна имеющаяся в литературе формула. Оказалось, что она дает несколько заниженные значения.