"Как мы выяснили, вклад Рулига состоял в том, чтобы выдвинуть гипотезу о том, что слияние DT происходит с очень высокой вероятностью, когда дейтерий и тритий находятся достаточно близко друг к другу", - сказал Марк Чедвик, заместитель директора лаборатории по науке, вычислениям и теории в Лос-Аламосе. "Повторение его эксперимента помогло нам интерпретировать его работу и лучше понять его роль, а также то, что оказалось его по сути правильными выводами. Курс физики ядерного топлива подтвердил глубокие последствия умного прозрения Артура Рулига".

Термоядерная реакция DT занимает центральное место в создании термоядерных технологий, будь то в рамках национального потенциала ядерного сдерживания или в текущих усилиях по разработке термоядерного синтеза для гражданской энергетики. Например, реакция дейтерий-тритий находится в центре усилий Национальной установки воспламенения по использованию термоядерного синтеза. Физики из Лос-Аламоса разработали теорию о том, откуда взялась эта идея - Рулига, - а затем провели эксперимент, который подтвердил бы важность и точность предположения Рулига.

Отслеживание происхождения слияния DT

В 2023 году Чедвик работал с коллегами, включая физика-теоретика Марка Пэриса, над сборником ранней истории развития термоядерного синтеза. Достаточно хорошо известной частью этой истории является предположение физика Эмиля Конопински (Emil Konopinski), высказанное на встрече директора будущего Манхэттенского проекта Дж. Роберта Оппенгеймера на конференции по физике в Беркли в июле 1942 года, что термоядерный синтез, среди многочисленных возможных термоядерных реакций, был бы особенно выгоден в качестве компонента оружия с реакциями деления.

Но Чедвик и его коллеги из Лос-Аламоса задались вопросом: как Конопински пришел к такому пониманию термоядерного синтеза? Выбор наиболее жизнеспособного термоядерного процесса из нескольких вариантов на столь раннем этапе программы - Манхэттенский проект всерьез стартовал всего за несколько месяцев до этого - безусловно, оказался удачным решением.

Однажды ночью, копаясь в архиве Исследовательского центра национальной безопасности, Чедвик наткнулся на аудиозапись 1986 года, в которой Конопински рассказывает о принятии решений, связанных с реакциями дейтерий-тритий. (Команда разместила запись Конопински на YouTube.) Своим голосом, доносящимся из прошлого, размышляя о еще более далеком прошлом, Конопински несколько раз объяснял свою мотивацию к изучению дейтерия-трития своими знаниями о "довоенных" исследованиях.

Тритий был открыт в 1934 году командой физика-экспериментатора Эрнеста Резерфорда. Резерфорд был титаном ранней физики, усовершенствовавшим модель атома вместе с Нильсом Бором, а также руководившим работой Джеймса Чедвика по открытию нейтрона. Начиная с 1934 года, Пэрис просматривал опубликованную литературу по физике и в конце концов наткнулся на письмо Рулига, написанное одним автором в 1938 году редактору журнала Physical Review, об эксперименте с гамма-излучением.

Рулиг работал с взаимодействиями дейтерия с дейтерием: взрывал дейтерий пучком дейтронов и изучал эффекты гамма-излучения. (Дейтрон - это ядро, состоящее из одного нейтрона и одного протона, атома дейтерия.) В заключительном абзаце письма, почти в стороне, Рулиг описал наблюдение протонов с чрезвычайно высокими энергиями, сделав вывод, что они были получены в результате вторичных реакций: нейтроны слияния трития с дейтерием рассеивают протоны из тонкой целлофановой фольги, помещенной внутри камеры с облаком. Он процитировал частную беседу с Хансом Бете, когда распаковывал то, что увидел. Реакция DT "должна быть чрезвычайно вероятной", - заключил он, предложив количественную оценку одного из 1000 энергичных протонов против протонов с более низкой энергией.

И на этом вопрос был закрыт; статья Рулига цитировалась нечасто, причем те немногие цитаты касались в основном проблем гамма-излучения. Но Конопински, похоже, запомнил эту работу.

Пэрис и Чедвик собрали воедино фрагменты: так получилось, что Рулиг и Конопински оба были студентами Мичиганского университета и в 1930-х годах параллельно учились в докторантуре. Научный руководитель Рулига, Ричард Крейн, был коллегой Бете, а Конопински работал в исследовательской стипендии под руководством Бете. У них также был общий наставник в Мичиганском университете, физик Джордж Уленбек, один из первооткрывателей спина электрона. И хотя статью Рулига цитировали нечасто, это не обязательно означает, что она была неизвестна - журнал был бы частью регулярного чтения многих физиков.

"Доказательства того, что Конопински интерпретирует и принимает предположение Рулига о вероятности слияния DT, являются косвенными, но, тем не менее, убедительными", - сказал Пэрис. "Нам остается спросить, что же на самом деле наблюдал Рулиг? Согласуются ли его выводы с тем, к чему мы пришли бы при вычислительном подходе и понимании современных поперечных сечений? В конечном счете, способ ответить на эти оставшиеся вопросы - повторить эксперимент".

Чедвик упомянул о статье Рулига и их теориях о роли эксперимента 1938 года в разработке термоядерного синтеза DT директору лаборатории Тому Мейсону, который настоял на том, чтобы команда провела эксперимент, а не просто имитацию, для подтверждения своих выводов.

Повторение эксперимента

Команда сотрудничала с физиками-экспериментаторами из Университета Дьюка, базирующегося в ядерной лаборатории Triangle Universities в Северной Каролине, чтобы воспроизвести работу Рулига с помощью современного, тщательно выполненного дублирования оригинального эксперимента. Воспроизведение будет сопровождаться теоретическим и вычислительным анализом.

Команда использовала лабораторный тандемный ускоритель на самой низкой рабочей мощности, генерируя пучок дейтронов диаметром 3,5 мм. Они соединили этот луч с тонкой фольгой из кобальтового сплава между вакуумом ускорителя и мишенью, которая эффективно дублировала луч Рулига с энергией 500 кэВ, насколько это было возможно. Как и в 1938 году, луч был направлен на мишень из дейтерированной фосфорной кислоты, а жидкостный сцинтилляционный нейтронный детектор отслеживал интересующие нейтроны для измерения вторичных реакций.

"В отличие от экспериментов по термоядерному синтезу, таких как термоядерный синтез с инерционным удержанием на Национальной установке воспламенения, мы впервые смогли провести эксперимент по термоядерному синтезу с низким энергопотреблением в качестве вторичной реакции после первоначального взаимодействия дейтерий-дейтерий, в результате которого образуется тритий". сказал Вернер Торноу, физик из Университета Дьюка, работающий в ядерной лаборатории Университета Треугольника. "Эта работа помогает ответить на некоторые интригующие вопросы об истории физики, но она также оказывает влияние на расширение наших возможностей работать с DT fusion в значительно более сложных условиях".

Подтверждая основные наблюдения Рулига

Анализируя их результаты, современный эксперимент действительно наблюдал вторичные реакции DT, хотя это также предполагает, что Рулиг переоценил соотношение, при котором он наблюдал избыточное производство нейтронов, продуктов термоядерного синтеза; исследователи обнаружили гораздо меньшее соотношение. Однако, поскольку письмо Рулига от 1938 года, описывающее эксперимент, содержит лишь скудные подробности о том, как он пришел к своему заключению, в конечном счете трудно однозначно оценить точность мичиганского физика по сравнению с современными результатами. Рассчитанное командой значение с использованием современных методов действительно совпадало со значением показателя, полученным в результате повторяющегося эксперимента.

Важно отметить, что измерения, полученные с помощью экспериментальных методов, используемых Ruhlig, и повторно протестированные исследователями ядерной лаборатории университетов Лос-Аламоса и Треугольника, могут быть применены к активным работам по термоядерному синтезу, таким как в NIF.

"Независимо от несоответствия скорости слияния Рулига нашему современному пониманию, наша репликация не оставляет сомнений в том, что он был, по крайней мере, качественно прав, когда сказал, что слияние DT было "чрезвычайно вероятным"", - сказал Чедвик. "Случайное наблюдение Рулигом термоядерного синтеза DT вместе с последующими измерениями поперечного сечения в рамках Манхэттенского проекта способствовало мирному применению термоядерного синтеза DT в токамаках, ориентированных на энергетические проекты, и в экспериментах по термоядерному синтезу с инерционным удержанием, таких как NIF. Я думаю, мы все гордимся тем, что снова вычеркиваем Артура Рулига из истории как важного участника текущих жизненно важных исследований".

Примечательно, что команда опубликовала свои результаты в Physical Review - том же журнале, в котором в 1938 году было опубликовано первое наблюдение Рулига за слиянием DT.

Артур Дж. Рулиг: Жизнь физика

Хотя Артур (Арт) Рулиг так и не получил широкого признания за свое первоначальное наблюдение синтеза дейтерия и трития, он на протяжении многих лет вносил важный вклад в фундаментальную физику. Родился 13 июня 1912 года в Мичигане, окончил среднюю школу в Форт-Уэйне, штат Индиана, прежде чем поступить в Мичиганский университет. Учась у Х. Ричарда Крейна, Рулиг в январе 1938 года получил докторскую степень по физике за свою диссертацию "Прохождение быстрых электронов и позитронов через свинец". В августе того же года последовала критическая публикация Рулига в Physical Review "Поиск гамма-лучей в результате реакции дейтрон-дейтронный синтез" с его наблюдением за слиянием DT.

Карьера Рулига охватывала государственные и частные отраслевые исследования по нескольким дисциплинам. Он поступил на работу в Военно-морскую исследовательскую лабораторию в 1940 году в качестве инженера-электрика и проработал в лаборатории более 15 лет. В 1946 году он работал в исследовательском отделе ракетного зондирования, подразделении Военно-морской исследовательской лаборатории, занимавшемся разработкой ракетной техники, использующей приборы для изучения атмосферы. Затем он стал руководителем филиала сначала в отделе радиации, а затем в группе электронных ламп. Большая часть его работ этого времени была и остается засекреченной, хотя он иногда публиковался в открытой литературе.

По счастливой случайности Рулиг был членом команды военно-морской исследовательской лаборатории, которая поддерживала Лос-Аламосскую операцию "Теплица" в Тихом океане в 1951 году. Рулиг возглавлял диагностическую группу, отвечающую за усилители и линии передачи. Будучи первым, кто наблюдал термоядерный синтез в 1938 году, он, таким образом, был одним из первых, кто наблюдал воспламенение термоядерной плазмы, применявшейся в серии термоядерных испытаний. Рулиг разработал формулу, широко используемую в течение десятилетий, для определения температуры горящей плазмы по наблюдаемому спектру нейтронов.

В 1956 году Рулиг присоединился к инженерно-исследовательской компании Aeronutronic (позже приобретенной Ford и объединенной с Philco), руководя лабораторией радаров и электроники. В 1960 году Рулиг был назначен менеджером по физике и вычислительной технике в то, что теперь было подразделением аэронавтроники Ford Motor Company в Ньюпорт-Бич, Калифорния, а затем в 1961 году был назначен старшим научным сотрудником. Компания отметила "широкомасштабную компетентность" Рулига, проявленную во время его пребывания на этом посту в 1960-х годах, включая его ценную роль в разработке предложения по лазерной системе для ВВС США. Он мог бегло читать по-немецки, по-французски и по-русски, и его хвалили как "блестящего ученого", чья "лояльность к компании и (...) личная и профессиональная честность находятся на высшем уровне".

Человек, ориентированный на семью, Рулиг женился на своей жене Эмили в 1934 году, и они прожили в браке почти 67 лет до ее смерти в 2001 году. Артур Рулиг умер в 2003 году в Санта-Ане, штат Калифорния. Исследовательская группа Лос-Аламосского университета Дьюка повторила эксперимент, связанный с дочерью Рулига Вивиан Лэмб, живущей в Северной Каролине. Она искала семейную историю, чтобы поделиться ею со своей внучкой, и, увидев запрос команды на получение информации о Рулиге в Интернете, обратилась к исследовательской группе и любезно поделилась своим временем и воспоминаниями. Она также передала фотографию своего трудолюбивого отца, вероятно, сделанную где-то после его работы 1938 года - портрет, по словам Вивиан, "непревзойденного ученого", того, кто сочетал "пожизненное любопытство к проблемам физики" с неизменным "уважением к тщательным научным экспериментам".