Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y el Laboratorio de Energética Láser (LLE) están trabajando para mejorar las fuentes de neutrones de impulsión directa polar (PDD) en la Instalación Nacional de Ignición (NIF), el láser más energético del mundo.

Las fuentes de neutrones PDD son cápsulas llenas de gas deuterio-tritio (DT) a temperatura ambiente y disparadas con pulsos de láser robustos que no requieren un control de contraste de potencia láser estricto o precisión de potencia. Estas fuentes son más eficientes en cuanto a tiempo y recursos para el campo en NIF que las fuentes de impulsión indirecta convencionales que requieren capas criogénicas de alta calidad de hielo DT. Además, una menor carga de desechos del objetivo generada permite que los experimentos de efectos de radiación de neutrones se coloquen mucho más cerca del objetivo, creando un campo de radiación de neutrones más fuerte para la prueba.

El equipo mejoró sustancialmente la producción total de fusión y la eficiencia de conversión de energía de láser a fusión para PDD. El equipo también desarrolló un empujador explosivo PDD, o PDXP, plataforma que ha permitido probar los efectos de la radiación de muestras recuperables a niveles récord de fluencia de neutrones de 14 MeV (megaelectronvoltio).

"Durante más de un año y medio después del éxito experimental inicial, este diseño de PDD era la forma más eficiente existente para convertir la entrada de energía láser en salida de fusión, "dijo Charles Yeamans, líder del equipo y primer autor de un artículo que aparece en Fusión nuclear . Los coautores incluyen a Elijah Kemp, Zach Walters, Heather Whitley y Brent Blue de LLNL, y Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma García y Yujia Yang de LLE.

"Disparar láseres realmente grandes a cosas puede estimular reacciones de fusión como lo que sucede en el sol y otras estrellas y terrestre en el núcleo de una detonación nuclear, Yeamans dijo. Queremos estudiar cómo los intensos campos de radiación generados por la fusión afectan a los materiales, electrónica y sistemas de ingeniería como satélites y aviones. En NIF podemos controlar y colocar nuestros objetos de prueba cerca de esa fuente ".

Adicionalmente, Las plataformas cápsula de transmisión directa similares tienen muchas aplicaciones en el NIF. Con diferentes rellenos de gas, se pueden utilizar para estudios de reacciones nucleares de interés para la astrofísica y como fuente de protones para retroiluminación puntual. También se han utilizado para producir pulsos cortos de rayos X continuos de alto brillo para estudios de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) y para mediciones de opacidad. Adicionalmente, se han utilizado para fabricar grandes plasmas comprimidos para estudios de transferencia de energía entre electrones y iones.

"En general, Un mejor diseño de la fuente de neutrones NIF nos permite realizar mejores pruebas de efectos de radiación en mayor número que si tuviéramos que depender únicamente de los principales experimentos NIF. " él dijo.

Yeamans dijo que el trabajo desarrolló una valiosa adición a la capacidad general de prueba experimental de efectos de radiación para el laboratorio. "También desarrolló la capacidad de modelado y simulación para comprender y mejorar el diseño de la fuente de neutrones, ", dijo." Con este trabajo, estamos en mejores condiciones de cumplir con esta responsabilidad ahora y en el futuro ".

Éxito del equipo

El trabajo fue realizado por un equipo de diseñadores (científicos que ejecutan códigos informáticos que realizan cálculos físicos complicados) y experimentadores (ingenieros que comprenden y operan el láser más grande del mundo). y quién determina la mejor manera de probar en la práctica lo que funciona en la simulación.

Varios de los miembros del equipo trabajan en ambos roles, y otros se especializan como diseñadores o experimentales en función de las necesidades del equipo de investigación. Se incluyeron dieciséis días de tiempo experimental de NIF distribuidos en más de cinco años en el esfuerzo de desarrollo de la fuente, con los tres diseños de mejor rendimiento, cada uno realizado durante un día de vacunación en 2019, seleccionados para una discusión detallada en la publicación, dijeron Yeamans.

Heather Whitley, director asociado del programa de ciencia de alta densidad energética en LLNL, desarrolló el diseño inicial para una cápsula polar de accionamiento directo de gran diámetro con Craxton y García de LLE y Warren Garbett del Establecimiento de Armas Atómicas del Reino Unido.

"Esta plataforma es importante porque proporciona altas fluencias de neutrones y permite el posicionamiento cercano de muestras cerca de la fuente para experimentos de supervivencia". "Dijo Whitley." La configuración de transmisión directa polar también proporciona un excelente acceso de diagnóstico para otros experimentos de física de plasma de alta temperatura ".

Craxton de LLE ayudó a liderar el trabajo de los estudiantes de pregrado García y Yang y dijo que la participación de los estudiantes ha sido importante para este trabajo. Cada estudiante fue responsable de calcular el apuntamiento optimizado del rayo láser para lograr la implosión uniforme de un diámetro específico de cápsula. Esta optimización se complica porque los ángulos de entrada del haz NIF se optimizan para impulsar un objetivo hohlraum cilíndrico. McKenty trabajó en estrecha colaboración con Craxton y el resto del equipo para determinar la forma ideal de pulso láser.

"Pasamos por toda una serie de experimentos durante muchos años, primero en producir neutrones para probar el diagnóstico de neutrones NIF mientras se encargaba NIF, ", Dijo Craxton." Estos experimentos evolucionaron para satisfacer las necesidades de una amplia variedad de aplicaciones, con los objetivos más grandes produciendo los altos rendimientos requeridos para los experimentos de efectos ".

Crítico para el éxito de este esfuerzo fue la fabricación y desarrollo de los protocolos de prueba adecuados para obtener datos clave para prescribir presiones de campo seguras de estos grandes (2-5 milímetros de diámetro), Cápsulas de pared delgada (aproximadamente 10-30 micrómetros), que son más susceptibles a reventar. Esto fue realizado por el equipo de fabricación de objetivos principalmente en General Atomics (GA) en San Diego, trabajando en estrecha colaboración con el equipo de fabricación de objetivos de LLNL, así como con el equipo de física mencionado anteriormente. Claudia Shuldberg y su equipo dirigieron el trabajo en GA, mientras que Bill Saied y Kelly Youngblood lideraron el esfuerzo de ingeniería de fabricación de objetivos en LLNL.