Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y el Laboratorio de Energética Láser (LLE) han descrito un modelo 3D simple en hohlraums y cápsulas para implosiones de fusión por confinamiento inercial (ICF). El modelo ayudará a proporcionar la simetría de implosión requerida en implosiones de deuterio-tritio (DT) en capas para la ignición.

Los resultados del trabajo eliminan gran parte del misterio asociado con la variabilidad en la dirección observada y la magnitud de la velocidad del punto caliente de las implosiones de DT en capas como parte de los experimentos de ignición.

Brian MacGowan, Científico de LLNL y autor principal del artículo presentado en Física de alta densidad de energía, dijo que los resultados revelan una fuente importante de asimetría 3D en las implosiones de ICF y establece el marco a través del cual se han descubierto todas las causas principales conocidas.

"El documento cuantifica la sensibilidad de la velocidad medida del punto caliente comprimido en implosiones de DT criogénicamente en capas, a la asimetría del modo 1 del flujo de rayos X en la cápsula, dentro de los hohlraums de impulsión indirecta, que son cavidades calentadas con láser que producen un impulso de radiación de rayos X que implosiona una cápsula llena de deuterio, " él dijo.

Una asimetría de modo 1 del 1 por ciento implica que la ablación extremadamente simétrica de la superficie de la cápsula por los rayos X está empujando efectivamente un 1 por ciento más fuerte en una dirección particular en lugar de ser esféricamente simétrica. Esa diferencia es suficiente para hacer que el punto caliente tenga una velocidad residual de hasta 100 km / s cuando el caparazón implosionante se estanca.

El documento también establece un método para comprender la variación en la asimetría del modo 1 del flujo en la cápsula debido a variaciones en el rendimiento del láser medido. construcción conocida del objetivo y variabilidad esperada de la alineación del haz y del objetivo.

"Podemos relacionar la asimetría en la entrega del láser y la construcción del objetivo con la asimetría del flujo de rayos X en la cápsula que se implosiona para generar las condiciones para que ocurra la fusión nuclear, ", dijo." Antes de este análisis, la variabilidad de la asimetría en el punto de acceso comprimido se consideraba idiopática, como falta de explicación. Ahora es algo que se puede entender y potencialmente controlar ".

Comprensión de los modelos hohlraum 3D de asimetrías en implosiones

MacGowan dice que es importante comprender las fuentes de asimetría 3D en hohlraums y cápsulas para las implosiones de ICF con el fin de proporcionar la simetría de implosión requerida en las implosiones de DT en capas para la ignición.

Una simetría deficiente a medida que la capa converge conduce a una presión reducida y un confinamiento reducido en el punto de acceso y, por lo tanto, a un rendimiento de neutrones reducido. El diagnóstico principal de la simetría del modo 1 en la implosión de una capa de DT es la velocidad de los neutrones emitidos desde el hotspot. Se ha demostrado que esta velocidad es variable en magnitud y dirección y es un indicador del movimiento masivo del hotspot en una dirección particular debido a una implosión asimétrica.

"Comprender las fuentes también permite establecer especificaciones adecuadas para corregirlas o implementar mitigaciones de diseño antes del experimento, como ventanas de menor pérdida, " él dijo.

Comprender la asimetría en la construcción de un objetivo en particular antes del experimento, incluido el grosor de la cáscara fuera de redondez en el nivel de +/- 0,5 micrones, también permite la implementación de ajustes en la entrega del láser al nivel de porcentaje bajo que usa el modo 1 producido por láser para cancelar la asimetría del grosor de la cápsula. Debido a que el ajuste del láser es un cambio sistemático a 192 haces, la asimetría neta del modo 1 impuesta por el láser puede ser muy precisa y dirigida en consecuencia incluso cuando se agrega la variabilidad habitual de la potencia suministrada por la Instalación Nacional de Ignición (NIF).

Este concepto se demostró en un experimento reciente en NIF que produjo un rendimiento de neutrones casi récord. El láser se ajustó para producir una asimetría de modo 1 esperada de +/- 1,2 por ciento del flujo total de rayos X incidente en la dirección correcta para compensar una gran asimetría en el grosor de la cápsula.

Analizando experimentos desde 2016

El trabajo se realizó mediante el análisis de las fuentes de asimetría en modo 1 del rendimiento del láser y la construcción del objetivo junto con mediciones de la magnitud y dirección de la velocidad del punto de acceso a partir de 50 experimentos de implosión en capas de DT realizados desde 2016. La velocidad del punto de acceso se midió comparando los espectros de energía emitidos. neutrones en cuatro ángulos de visión diferentes y luego derivar la velocidad promedio del hotspot. Lea sobre las mediciones del tiempo de vuelo de neutrones (nToF) aquí.

El trabajo fue un proceso de trabajo detectivesco para identificar las fuentes y sensibilidades en base a los datos disponibles. Hubo muy pocas tomas en las que se realizó un cambio importante en una de las fuentes del modo 1 que aislaría el efecto de un parámetro, ya que las fuentes suelen estar cerca de la especificación de esa fuente en particular.

El modelo beneficia el trabajo futuro

MacGowan explica que el desarrollo y la validación del modelo de asimetría de modo 1 beneficia a LLNL al permitir la explicación de la variabilidad en la velocidad observada del punto de acceso y la asimetría de densidad de combustible comprimido en términos de fuentes de modo 1 en el láser y el objetivo que se pueden derivar. a partir de mediciones de diagnóstico.

"Por último, Este trabajo nos ayuda a comprender un principio de degradación del rendimiento del objetivo y una fuente de variabilidad del rendimiento de disparo a disparo. ", dijo." El trabajo establece una moneda para intercambiar especificaciones por precisión en el rendimiento y la alineación del láser, construcción y alineación del objetivo y estabilidad de las instalaciones ".

El modelo se puede utilizar en estudios de sensibilidad y cálculos de Monte Carlo y permite una fácil propagación de incertidumbres para diferentes fuentes. Por ejemplo, El impacto de cualquier desviación correlacionada en la alineación de los haces NIF debido a los efectos térmicos en las bahías láser NIF se puede comparar con el impacto de los errores de fabricación del objetivo o la inestabilidad en el sistema de generación de impulsos NIF. Todos se comparan a través de su impacto en la asimetría del modo 1 en la cápsula y, en última instancia, se relacionan con la velocidad del punto de acceso que generan.

Al cuantificar el modo-1 inducido por el láser y las ventanas y restarlos de la velocidad observada del punto de acceso, es posible aislar el efecto de una nueva fuente como el modo de espesor de la cápsula-1. Este trabajo ha permitido cuantificar el efecto del modo 1 del grosor de la cápsula descrito en un artículo al que se hace referencia aquí.