En su pico, una implosión de fusión por confinamiento inercial (ICF) de NIF dura aproximadamente 100 billonésimas de segundo. El combustible implosionado tiene cien millonésimas de metro de diámetro y hasta ocho veces más denso que el plomo. El centro de la cápsula implosionada es algunas veces más caliente que el núcleo del sol.

Desarrollar una comprensión clara de lo que está sucediendo exactamente en una implosión de NIF en esas condiciones extremas es uno de los mayores desafíos que enfrentan los investigadores mientras trabajan para lograr la ignición por fusión en el sistema láser más grande y de mayor energía del mundo.

Para ayudar a enfrentar ese desafío, El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y sus laboratorios y universidades asociados han diseñado y construido un amplio conjunto de más de una docena de diagnósticos nucleares, con más en camino.

"Lo que le gustaría al diagnosticar la implosión es saber todo sobre el plasma en implosión, ", dijo el físico de LLNL Dave Schlossberg.

"La suite de diagnóstico nuclear intenta abordar diferentes parámetros que se pueden medir de forma independiente, ", dijo." El sistema de imágenes de neutrones mide la distribución espacial de la implosión. Los diagnósticos de tiempo de vuelo de neutrones miden la energía promedio y la velocidad de deriva. Y el historial de reacciones gamma mide la emisión con respecto al tiempo. Al reunir esa información, reunimos una mejor imagen de lo que está sucediendo en la implosión ".

"Algunos de los diagnósticos 'dialogan' entre sí, "añadió el físico Kelly Hahn." Algunos proporcionan diferentes piezas (de información), algunos tienen piezas similares y podemos juntarlas todas para armar una imagen más completa. Si quieres lograr la ignición, los diagnósticos nucleares son cruciales ".

Pistas del desempeño

Entre los factores clave que proporcionan pistas sobre el rendimiento de la implosión se encuentran el rendimiento de neutrones, la temperatura del ión (plasma) y la relación de dispersión descendente:la relación entre el número de neutrones de alta energía y neutrones de baja energía que se han dispersado a través de interacciones con los isótopos de hidrógeno en el combustible, una indicación de la densidad del combustible y la distribución del combustible frío que rodea el punto caliente.

También son importantes el tiempo de explosión (el tiempo de emisión máxima de neutrones que caracteriza la velocidad de la implosión) y el ancho de combustión. el tiempo que la implosión está produciendo neutrones.

Todos estos parámetros, y otros, se evalúan mediante diagnósticos nucleares.

"Los diagnósticos nucleares son básicamente los únicos diagnósticos que realmente miden la densidad y la temperatura del combustible, ", dijo Alastair Moore, líder del Grupo de Diagnóstico Nuclear. Y son completamente críticos para comprender qué tan bien ensamblamos el combustible y qué tan cerca estamos de la ignición".

En experimentos NIF ICF, hasta 192 potentes rayos láser calientan un "horno" cilíndrico de rayos X llamado hohlraum. Los rayos X comprimen los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio (DT), parcialmente congelado dentro de una pequeña cápsula suspendida dentro del hohlraum. Si la densidad y la temperatura son lo suficientemente altas y duran lo suficiente, el combustible se encenderá y generará una reacción termonuclear autosostenida que se propaga a través del combustible y libera una gran cantidad de energía, principalmente en forma de neutrones de alta energía.

El proceso de implosión crea temperaturas y presiones similares a las que se encuentran dentro de las estrellas, planetas gigantes y detonaciones nucleares. NIF es un componente clave del Programa de administración de existencias de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, y los experimentos sobre NIF hacen avanzar la investigación científica en la ciencia de alta densidad de energía (HED), incluida la astrofísica, ciencia de materiales e ICF.

Desconocidas desconocidas

Un valor particular de los diagnósticos nucleares del NIF es su capacidad para ayudar a responder preguntas que los investigadores ni siquiera sabían que tenían, lo que los científicos llaman "incógnitas desconocidas".

Recientemente, por ejemplo, el conjunto de cuatro detectores de tiempo de vuelo de neutrones colocados alrededor de la cámara objetivo reveló que el pequeño punto caliente en el centro de la implosión se desplazaba a una velocidad de unos 100 kilómetros por segundo, una indicación de asimetría de implosión, una de las principales causas de rendimiento degradado.

"Originalmente teníamos dos espectrómetros, "dijo el físico Ed Hartouni, "y agregar un tercer espectrómetro nos dio la capacidad de ver el movimiento y medir la velocidad de deriva del punto caliente, que no se esperaba en absoluto. De hecho, tomó bastante tiempo ser aceptado, esta interpretación de lo que estos detectores nos estaban diciendo.

"Revelaron algo que estaba sucediendo en la implosión que no anticipamos, que nadie había esperado, ", dijo." Que el punto caliente pudiera moverse, fue bastante sorprendente ".

"De hecho, tenemos un quinto espectrómetro en línea, "señaló Moore, "lo que nos dará una capacidad aún mejor para comprender si el punto de acceso se está moviendo porque lo hemos impulsado de forma asimétrica, o porque la cápsula es asimétrica, o el hohlraum es asimétrico. Todos estos modos de falla que pueden conducir a un desempeño deficiente de implosión se pueden diagnosticar directamente al tener múltiples espectrómetros que observen la misma implosión ".

Y eso no es todo. En una colaboración dirigida por el equipo de imágenes de neutrones del Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL), investigadores de LANL, LLNL y el Laboratorio de Energía Láser (LLE) de la Universidad de Rochester agregaron recientemente un tercer sistema de imágenes de neutrones, NIS3, diseñado para proporcionar una imagen tridimensional que muestra el tamaño y la forma del plasma DT en combustión durante la etapa de ignición de una implosión.

El tamaño del punto caliente y la asimetría del combustible se determinan a partir de la imagen del primario, o de alta energía, neutrones y la densidad del área del combustible frío, conocido como rho-R, se infiere de la relación de dispersión descendente. La densidad del área es un factor importante en la configuración final del combustible para obtener la ignición y la combustión por fusión.

"A medida que NIF avanza hacia un mayor rendimiento, comprender la naturaleza tridimensional de estas implosiones se vuelve fundamental, ", dijo el físico de LLNL David Fittinghoff." Con las dos líneas de visión de imágenes de neutrones anteriores (en el ecuador y el polo norte de la cámara objetivo) tuvimos que hacer una suposición sobre la simetría de la implosión.

"Ahora con el nuevo NIS3 tenemos tres líneas de visión ortogonales con las que reconstruir un volumen de plasma de fusión, ", dijo." Una analogía podría ser la diferencia entre ver una pintura de un hombre y caminar realmente alrededor de su escultura ".

Además de mejorar las imágenes de neutrones, NIS3 también proporciona una línea de visión para obtener imágenes de los rayos gamma producidos por la dispersión inelástica de los neutrones de fusión del carbono en el material de la cápsula objetivo que queda durante una implosión. Esto podría ayudar a los investigadores a determinar la cantidad y el efecto de la mezcla del material de la cápsula con el combustible de fusión. una fuente conocida de degradación del rendimiento.

En 2017 se completó otra importante actualización de diagnóstico con la instalación de una serie de 48 detectores de activación de neutrones en tiempo real. o RT-NAD, en lugares estratégicos alrededor de la Cámara objetivo.

NAD anteriores, llamados NAD de brida, funcionó cuando los neutrones no dispersos activaron una muestra de circonio. Las muestras activadas se retiraron de la cámara y se determinó el nivel de activación utilizando técnicas de recuento nuclear en otras partes del sitio. La activación de los detectores NAD en tiempo real se monitorea in situ, proporcionando un mejor muestreo de la distribución angular del rendimiento de neutrones no dispersos con una respuesta mucho más rápida y con un costo operativo significativamente menor.

El sistema proporciona una determinación en tiempo casi real de la distribución de la fluencia de neutrones. Opera sobre dos o tres órdenes de magnitud de rendimiento de neutrones, proporcionando estimaciones de rendimiento general precisas al 2 por ciento o mejor.

"El rendimiento de neutrones varía alrededor de la cámara porque hay diferentes espesores de combustible en el núcleo comprimido de la explosión, ", Explicó Moore." Los RT-NAD son principalmente una forma de saber cómo se distribuye el combustible alrededor del punto caliente cuando la cápsula explota ".

"Tiene el doble de detectores y cinco veces la sensibilidad" del sistema NAD de brida, señaló el físico de diagnóstico Richard Bionta, científico responsable del sistema RT-NADs. "En el sistema antiguo, solo teníamos un detector. Cada uno de los 20 discos se colocó en el detector uno a la vez, por lo que tardó cinco días en completarse. (Los RT-NAD) son ciertamente mucho mejores que la forma en que solíamos hacerlo ".

"Richard pasó más de dos años desarrollando la capacidad para administrar ese flujo de datos, "agregó Moore." Tiene 48 detectores que leen cada 10 minutos y producen terabytes de datos. Intentas analizar eso y reconstruir esa imagen nuevamente, de lo que pasó con la inyección ".