Una nueva investigación de la Universidad de Rochester mejorará la precisión de los modelos informáticos utilizados en las simulaciones de implosiones impulsadas por láser. La investigación, publicado en la revista Física de la naturaleza , aborda uno de los desafíos en la búsqueda de larga data de los científicos para lograr la fusión.

En experimentos de fusión por confinamiento inercial impulsado por láser (ICF), como los experimentos realizados en el Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester, haces cortos que consisten en intensos pulsos de luz (pulsos que duran meras mil millonésimas de segundo) entregan energía para calentar y comprimir un objetivo de celdas de combustible de hidrógeno. Idealmente, este proceso liberaría más energía de la que se utilizó para calentar el sistema.

Los experimentos de ICF impulsados ​​por láser requieren que muchos rayos láser se propaguen a través de un plasma, una sopa caliente de electrones e iones en movimiento libre, para depositar su energía de radiación con precisión en el objetivo previsto. Pero, como lo hacen las vigas, interactúan con el plasma de formas que pueden complicar el resultado deseado.

"ICF necesariamente genera entornos en los que muchos rayos láser se superponen en un plasma caliente que rodea al objetivo, y se ha reconocido durante muchos años que los rayos láser pueden interactuar e intercambiar energía, "dice David Turnbull, un científico de LLE y el primer autor del artículo.

Para modelar con precisión esta interacción, los científicos necesitan saber exactamente cómo interactúa la energía del rayo láser con el plasma. Si bien los investigadores han ofrecido teorías sobre las formas en que los rayos láser alteran un plasma, nunca antes se ha demostrado experimentalmente ninguno.

Ahora, investigadores de la LLE, junto con sus colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California y el Centre National de la Recherche Scientifique en Francia, han demostrado directamente por primera vez cómo los rayos láser modifican las condiciones del plasma subyacente, afectando a su vez la transferencia de energía en experimentos de fusión.

"Los resultados son una gran demostración de la innovación en el Laboratorio y la importancia de desarrollar una comprensión sólida de las inestabilidades del plasma láser para el programa nacional de fusión, "dice Michael Campbell, el director de la LLE.

USO DE SUPERCOMPUTADORAS PARA MODELAR FUSION

Los investigadores a menudo usan supercomputadoras para estudiar las implosiones involucradas en los experimentos de fusión. Es importante, por lo tanto, que estos modelos informáticos representan con precisión los procesos físicos involucrados, incluido el intercambio de energía de los rayos láser al plasma y, finalmente, al objetivo.

Durante la última década, Los investigadores han utilizado modelos informáticos que describen la interacción mutua del rayo láser involucrada en experimentos de fusión impulsados ​​por láser. Sin embargo, los modelos generalmente han asumido que la energía de los rayos láser interactúa en un tipo de equilibrio conocido como distribución de Maxwell, un equilibrio que uno esperaría en el intercambio cuando no hay láseres presentes.

"Pero, por supuesto, los láseres están presentes, "dice Dustin Froula, un científico senior en el LLE.

Froula señala que los científicos predijeron hace casi 40 años que los láseres alteran las condiciones subyacentes del plasma de manera importante. En 1980, Se presentó una teoría que predijo estas funciones de distribución no maxwellianas en plasmas láser debido al calentamiento preferencial de los electrones lentos por los rayos láser. En los años siguientes, Bedros Afeyan '89 (Ph.D.), graduado en Rochester, predijo que el efecto de estas funciones de distribución de electrones no maxwellianos cambiaría la forma en que la energía láser se transfiere entre haces.

Pero a falta de evidencia experimental para verificar esa predicción, los investigadores no lo tuvieron en cuenta en sus simulaciones.

Turnbull, Froula, y el estudiante graduado de física y astronomía, Avram Milder, realizaron experimentos en las instalaciones de láser Omega del LLE para realizar mediciones muy detalladas de los plasmas calentados por láser. Los resultados de estos experimentos muestran por primera vez que la distribución de las energías electrónicas en un plasma se ve afectada por su interacción con la radiación láser y ya no puede describirse con precisión mediante los modelos predominantes.

La nueva investigación no solo valida una teoría de larga data, pero también muestra que la interacción láser-plasma modifica fuertemente la transferencia de energía.

"Actualmente se están desarrollando nuevos modelos en línea que tienen mejor en cuenta las condiciones plasmáticas subyacentes, que debería mejorar la capacidad predictiva de las simulaciones de implosión integradas, "Dice Turnbull.