Los datos que correlacionan dos factores que conducen a asimetrías de implosión han llevado a los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) un paso más hacia la comprensión de la brecha entre las simulaciones y el desempeño de los experimentos de fusión por confinamiento inercial (ICF) en la Instalación Nacional de Ignición (NIF).

Estos experimentos tienen como objetivo encender una onda de combustión de fusión que se propaga en combustible deuterio-tritio. Para lograr la ignición, el combustible debe alcanzar un estado de autocalentamiento en el que la energía producida exceda la pérdida de energía por expansión, conducción térmica y enfriamiento radiativo.

Las implosiones ICF de mejor rendimiento, con presiones de puntos calientes centrales de 360 ​​Gbar (mil millones de atmósferas terrestres) y rendimientos de fusión de 50 kilojulios, han comenzado a mostrar los efectos del autocalentamiento de la fusión. Pero estos experimentos todavía tienen un rendimiento inferior a las simulaciones 1 y 2-D, que predicen presiones superiores a 500 Gbar y dinámicas dominadas por el autocalentamiento.

Al analizar los datos de varios años de experimentos NIF ICF de alto rendimiento, Los investigadores han encontrado una correlación entre la velocidad de la implosión del punto caliente y la asimetría de la densidad del área del combustible (el espesor y la densidad combinados de la capa de combustible de fusión congelada en implosión).

Los resultados se informaron en un Cartas de revisión física artículo del físico del Laboratorio de Energía Láser Hans Rinderknecht (quien realizó este trabajo mientras era un Lawrence Fellow en LLNL), El físico Dan Casey de LLNL y sus colegas de LLNL.

"Sabemos que la asimetría es una de las principales degradaciones del rendimiento de la implosión, ", Dijo Casey." Encontramos que la asimetría 3D existe y está correlacionada entre dos medidas clave. Estos resultados sientan las bases para el trabajo posterior para rastrear las fuentes de las asimetrías ".

La correlación fue constante en una amplia gama de configuraciones de disparos y objetivos, incluyendo tomas de carbono de alta densidad (HDC), "BigFoot" (alto adiabat, o compresión reducida, HDC) y campañas tradicionales de CH (cápsulas plásticas).

"Descubrimos que la mayoría de las implosiones realizadas en los últimos tres años del programa ICF sobre NIF tenían una asimetría involuntaria que 'empujaba' la implosión hacia un lado en lugar de implosionarla de manera uniforme. Esto significaba que parte de la energía se desperdiciaba, ", Dijo Rinderknecht.

La sorprendente coincidencia de magnitud y dirección entre la velocidad del punto caliente y la asimetría de la densidad del área del combustible en una amplia gama de experimentos con una composición de ablación variada, La historia de la potencia del láser y otros factores sugieren una causa subyacente sistemática. Las implosiones tendían a ser empujadas hacia las ventanas de diagnóstico en el hohlraum. Esas ventanas están cubiertas por capas de oro más delgadas que permiten que las cámaras de rayos X vean la cápsula dentro del hohlraum.

Dos diagnósticos superpuestos

Los investigadores aplicaron su método de análisis a 44 implosiones de capas de hielo criogénicas de deuterio-tritio realizadas en NIF entre 2016 y 2018. La dirección del movimiento del punto caliente se observó en 17 de 18 HDC, 10 de 11 Bigfoot y seis de 15 implosiones CH.

"Es una historia clásica de cómo dos conjuntos de datos son mejores que uno, ", Dijo Rinderknecht.

Los NAD registran cuántos neutrones producidos por fusión salen de la implosión sin dispersarse. Este diagnóstico, por lo tanto, Puede determinar las variaciones de densidad del combustible en varias direcciones.

Sin embargo, Los NAD también pueden verse afectados por el desplazamiento Doppler:si la implosión se mueve hacia el detector, los neutrones obtienen un impulso de energía y, por lo tanto, la señal aumenta debido a la sección transversal de activación de NAD dependiente de la energía. Los espectrómetros nTOF también miden el desplazamiento Doppler de neutrones.

Los diagnósticos son la única forma de observar lo que realmente está sucediendo en las implosiones, pero pueden ser defectuosos o malinterpretados. "Cuando empiezas a recopilar e interpretar datos, es fácil entrar en discusiones sobre si lo que estás viendo es real o no, especialmente si el resultado es sorprendente, ", Dijo Rinderknecht.

"Una vez que tuve ambos conjuntos de datos, Comencé a trazarlos juntos (velocidad de punto caliente versus asimetría de densidad) y el patrón compartido apareció de inmediato, ", dijo." Los dos conjuntos de datos de apoyo de dos diagnósticos diferentes y examinados de forma independiente se confirmaron entre sí en tantas tomas con condiciones tan diferentes, quedó claro que algo real y significativo estaba sucediendo ".

Avanzando Los investigadores de LLNL están desarrollando modelos detallados para evaluar las pérdidas de radiación de las ventanas de forma más cuantitativa, incluidos los efectos de la arquitectura de la ventana y la dinámica de ablación.

"Sobre la base de estos datos se ha iniciado un programa de investigación para encontrar y controlar los orígenes de la asimetría de la unidad, que sigue siendo un paso crucial para los esfuerzos en curso para lograr el encendido en el NIF, ", dijeron los investigadores en el documento.

Los resultados preliminares indican que las asimetrías en la administración del láser son comparables a las de las ventanas de diagnóstico. Variaciones del grosor de la cápsula, Las variaciones de espesor de la capa de hielo y la desalineación del láser al objetivo también podrían ser fuentes de asimetría.

"El trabajo para identificar y controlar la fuente de esta asimetría está en curso y será esencial para mejorar aún más el rendimiento de la implosión y lograr la ignición en ICF de transmisión indirecta, ", dijeron los investigadores.

Casey y Rinderknecht se unieron en el papel, "Asimetría de impulsión azimutal en implosiones de fusión por confinamiento inercial en la instalación de ignición nacional, "por los colegas de LLNL, Robert Hatarik, Richard Bionta, Brian MacGowan, Prav Patel, Nino Landen, Ed Hartouni y Omar Hurricane.