Los científicos han examinado el rendimiento del boro puro, Carburo de boro, Ablatores de carbono de alta densidad y nitruro de boro (el material que rodea un combustible de fusión y se acopla con el láser o la radiación hohlraum en un experimento) en la plataforma del empujador explosivo de impulsión directa polar (PDXP), que se utiliza en la Instalación Nacional de Ignición (NIF). La plataforma utiliza la configuración de transmisión directa polar para impulsar altas temperaturas de iones en una cápsula a temperatura ambiente y tiene aplicaciones potenciales para estudios de física del plasma y como fuente de neutrones.

Los hallazgos clave del trabajo, presentado en Física de alta densidad de energía , muestran que estos ablatores alternativos no mejoran la simetría de la implosión de PDXP, según la autora principal, Heather Whitley, director asociado del programa de Ciencias de Alta Densidad Energética en la sección de Física Fundamental de Armas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL).

"Si bien nuestras simulaciones predicen que la plataforma no es compatible con las mediciones de acoplamiento electrón-ión debido a la falta de simetría de implosión, los materiales alternativos permiten un mejor acoplamiento entre el láser y la cápsula, ", dijo." Planeamos probar esos impactos previstos en futuros experimentos con fuentes de neutrones ".

El Grupo de trabajo de fuentes de neutrones de LLNL está examinando la mejora en el acoplamiento porque podría ayudar a mejorar el rendimiento de las fuentes de neutrones de transmisión directa polar. y, en última instancia, proporcionar datos sobre la validez del modelado láser para simulaciones de accionamiento directo.

A lo largo de este trabajo, El equipo también ayudó a los desarrolladores de código de simulación de fusión por confinamiento inercial a implementar modelos más avanzados para el acoplamiento de iones y electrones. y modelar las implosiones de impulsión directa se ha emparejado estrechamente con el desarrollo de ese código.

NIF proporciona acceso a datos en plasmas extremadamente calientes que ayudan a validar y mejorar el modelado hidrodinámico de radiación para una variedad de sistemas astrofísicos y de laboratorio. Uno de los principales objetivos de NIF ha sido crear ignición en un plasma de deuterio-tritio en el laboratorio, pero diseñar experimentos con éxito para lograr ese objetivo ha sido un desafío. El diseño de estos experimentos se basa en gran medida en modelos informáticos que se basan en la comprensión y las suposiciones sobre el comportamiento de estos plasmas calientes.

Como persona nombrada postdoctoral, Whitley trabajó en el Proyecto Cimarron, un proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio que tenía como objetivo utilizar la computación de alto rendimiento para estudiar la física de los plasmas de ignición.

"El objetivo de Cimarron era desarrollar nuevos modelos que describieran el transporte de calor y masa a un nivel microscópico para ayudar a mejorar nuestro modelado de experimentos de ignición, ", dijo." Siguiendo el trabajo en modelos de computadora, queríamos probar nuestros nuevos modelos con datos experimentales y desarrollamos la plataforma PDXP como una forma de crear un plasma de desequilibrio ".

En estos experimentos, Los iones se calientan más rápidamente que los electrones a través de un choque generado por láser muy fuerte. El equipo tenía la intención de utilizar espectroscopia resuelta en el tiempo, que es una medida de la cantidad de luz que emite el plasma a una frecuencia específica, para medir las temperaturas tanto de los iones como de los electrones en función del tiempo durante el experimento. Los datos permitirían al equipo hacer una comparación directa con los modelos que el Proyecto Cimarron había desarrollado para algo llamado "acoplamiento electrón-ión". "que es un parámetro que describe cómo los iones y los electrones intercambian energía en un plasma.

Los experimentos prueban el rendimiento de los materiales en NIF

"La plataforma PDXP se desarrolló en NIF para estudiar el equilibrio entre electrones y iones, pero terminó siendo una fuente de neutrones ideal para varias otras campañas, "dijo Marilyn Schneider, coautor del artículo y director de los primeros experimentos en la plataforma.

"La gran ventaja de esta plataforma es que es simple (capa esférica llena de combustible) y permite múltiples diagnósticos de cualquier (y todos) puertos NIF para tomar datos y producir un alto rendimiento de neutrones, ", Dijo Schneider." Esta investigación hizo un estudio teórico del rendimiento (rendimiento de neutrones) frente a la composición de la capa y su espesor ".

El físico de LLNL Charles Yeamans está preparando experimentos utilizando algunos de los ablatores alternativos descritos en el artículo. Dijo que el trabajo describe una forma particular de moverse a través de un cálculo físico muy complicado y luego aplica esa metodología para predecir cómo podrían funcionar los diferentes materiales de las cápsulas cuando se usan en un experimento NIF.

El trabajo describe cómo los datos de los experimentos anteriores con cápsulas de plástico, realizado por el físico de LLNL Schneider y Maria Gatu Johnson del Instituto de Tecnología de Massachusetts, se utilizaron para comprender por qué ciertos métodos utilizados eran más efectivos para modelar el sistema y predecir las observaciones. El siguiente paso en el proceso fue realizar nuevas predicciones basadas en la aplicación de la metodología a diferentes materiales de cápsulas.

"Diseñamos nuevos experimentos basados ​​en estos modelos que predicen una mejora particularmente útil en el rendimiento, como un mayor rendimiento, o el modelo que predice un gran cambio en una cantidad medida, como la trayectoria de la cápsula implosionante o la temperatura de la quemadura nuclear, ", explicó." Luego, ejecutamos los experimentos NIF para probar si el cálculo fue realmente exitoso para predecir el cambio en el rendimiento ".

Dijo que su función era comprender los datos de disparos NIF anteriores tal como existen, comprender la implicación de las predicciones del modelo, sintetizar esas dos categorías de información para el diseño de la próxima serie de experimentos, y prepare esos experimentos para comenzar.

El diseño inicial de 2016 utilizó una carcasa de plástico, o ablador, que se llenó con gas deuterio con una pequeña cantidad de dopante de argón. El argón se utilizó en la medición espectroscópica, y el diseño aseguró una separación de temperatura adecuada entre los electrones y los iones para que las mediciones fueran viables.

Las imágenes de la implosión de las tomas de 2016-2017 realizadas por Schneider y Gatu Johnson indicaron que el caparazón de plástico estaba muy deformado en la implosión. Los rayos láser que impactaron directamente en la cápsula imprimieron una estructura muy complicada en la cáscara de implosión. Siguiendo estos disparos, Whitley y su equipo postularon que cambiar a un material de ablación diferente podría permitir una implosión más simétrica, ya sea permitiendo una mayor presión de deuterio o mejorando la forma en que el material interactúa con el láser.

Los experimentos NIF reúnen a grandes equipos

Whitley dijo que el proyecto es un excelente ejemplo de cómo el laboratorio colabora con el mundo académico para aplicar tanto los recursos computacionales como las plataformas experimentales para mejorar la comprensión y las capacidades de modelado predictivo de los plasmas de ignición.

Frank Graziani, director del Proyecto Cimarron y director del LLNL Center for High Energy Density Science, dijo que la plataforma PDXP y la campaña de materiales de ablación son un esfuerzo internacional que involucra diseño, experiencia y experiencia computacional de LLNL, Laboratorio de Energética Láser, Establecimiento de armas atómicas, Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de California, Berkeley.

"Seguimos interesados ​​en la validación de modelos físicos de plasma como el acoplamiento electrón-ión en el régimen de física de alta densidad de energía, ", dijo." La plataforma PDXP fue un importante paso adelante al permitirnos crear las condiciones requeridas y diagnosticarlas. La plataforma también ha demostrado ser una valiosa fuente de neutrones para experimentos ".