Dados correlacionando dois fatores que levam a assimetrias de implosão trouxeram os cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) um passo mais perto de compreender a lacuna entre as simulações e o desempenho de experimentos de fusão por confinamento inercial (ICF) no National Ignition Facility (NIF).

Esses experimentos visam acender uma onda de queima de fusão propagada em combustível deutério-trítio. Para conseguir a ignição, o combustível deve atingir um estado de autoaquecimento no qual a energia produzida excede a perda de energia da expansão, condução térmica e resfriamento radiativo.

As implosões ICF de melhor desempenho, com pressões de ponto quente central de 360 ​​Gbar (bilhões de atmosferas terrestres) e rendimentos de fusão de 50 quilojoules, começaram a mostrar os efeitos do autoaquecimento da fusão. Mas esses experimentos ainda apresentam desempenho inferior às simulações 1 e 2-D, que prevêem pressões acima de 500 Gbar e dinâmicas dominadas por autoaquecimento.

Ao analisar dados de vários anos de experimentos NIF ICF de alto rendimento, os pesquisadores descobriram uma correlação entre a velocidade da implosão do ponto quente e a assimetria da densidade de área do combustível (a espessura e densidade combinadas da casca do combustível de fusão congelado em implosão).

Os resultados foram relatados em um Cartas de revisão física artigo do físico do Laboratory for Laser Energetics Hans Rinderknecht (que realizou este trabalho enquanto era Lawrence Fellow no LLNL), O físico do LLNL Dan Casey e colegas do LLNL.

"Sabemos que a assimetria é a principal degradação do desempenho de implosão, "Casey disse." Descobrimos que a assimetria 3-D existe e está correlacionada entre duas medições principais. Esses resultados estabelecem a base para o trabalho subsequente para rastrear as fontes das assimetrias. "

A correlação foi consistente em uma ampla gama de configurações de tiro e alvo, incluindo tiros de carbono de alta densidade (HDC), "BigFoot" (alto adiabat, ou compressão reduzida, HDC) e campanhas tradicionais de CH (cápsula de plástico).

"Descobrimos que a maioria das implosões realizadas nos últimos três anos do programa da ICF no NIF tinha uma assimetria não intencional que 'empurrou' a implosão para um lado em vez de implodir uniformemente. Isso significa que parte da energia foi desperdiçada, "Rinderknecht disse.

A impressionante coincidência de magnitude e direção entre a velocidade do ponto quente e a assimetria da densidade de área do combustível em uma ampla gama de experimentos com composição variada do ablator, o histórico de potência do laser e outros fatores sugerem um comum, causa subjacente sistemática. As implosões tendiam a ser empurradas em direção às janelas de diagnóstico no hohlraum. Essas janelas são cobertas por camadas de ouro mais finas que permitem que as câmeras de raios-X vejam a cápsula dentro do hohlraum.

Dois diagnósticos sobrepostos

Os pesquisadores aplicaram seu método de análise a 44 implosões de camadas criogênicas de gelo de deutério-trítio realizadas no NIF entre 2016 e 2018. A direção do movimento do ponto quente foi observada em 17 de 18 HDC, 10 de 11 implosões de Pé Grande e seis de 15 CH.

"É uma história clássica de como dois conjuntos de dados são melhores do que um, "Rinderknecht disse.

Os NADs registram quantos nêutrons produzidos por fusão conseguem sair da implosão sem se espalhar. Este diagnóstico, Portanto, pode determinar as variações de densidade do combustível em várias direções.

Contudo, Os NADs também podem ser afetados pelo deslocamento Doppler:se a implosão estiver se movendo em direção ao detector, os nêutrons recebem um aumento de energia e, portanto, o sinal é aumentado por causa da seção transversal de ativação do NAD dependente de energia. Os espectrômetros nTOF também medem o deslocamento Doppler de nêutrons.

O diagnóstico é a única maneira de observar o que realmente está acontecendo nas implosões, mas eles podem ser falhos ou mal compreendidos. "Quando você começa a coletar e interpretar dados, é fácil entrar em discussões sobre se o que você está vendo é real ou não, especialmente se o resultado for surpreendente, "Rinderknecht disse.

"Depois de ter os dois conjuntos de dados, Comecei a plotá-los juntos - velocidade de ponto quente versus assimetria de densidade - e o padrão compartilhado apareceu imediatamente, ", disse ele." Os dois conjuntos de dados de suporte de dois diagnósticos diferentes e examinados de forma independente se confirmaram em tantas fotos com condições tão diferentes, ficou claro que algo real e significativo estava acontecendo. "

Seguindo em frente, Os pesquisadores do LLNL estão desenvolvendo modelos detalhados para avaliar as perdas de radiação da janela de forma mais quantitativa, incluindo os efeitos da arquitetura da janela e da dinâmica de ablação.

"Com base nesses dados, um programa de pesquisa foi iniciado para encontrar e controlar as origens da assimetria da unidade, que continua a ser um passo crucial para os esforços contínuos para alcançar a ignição do NIF, "disseram os pesquisadores no jornal.

Os resultados preliminares indicam que as assimetrias na aplicação do laser são comparáveis ​​às das janelas de diagnóstico. Variações de espessura da cápsula, as variações da espessura da camada de gelo e o desalinhamento do laser para o alvo também podem ser fontes de assimetria.

"O trabalho para identificar e controlar a fonte dessa assimetria está em andamento e será essencial para melhorar ainda mais o desempenho da implosão e alcançar a ignição na ICF de acionamento indireto, "disseram os pesquisadores.

Casey e Rinderknecht foram unidos no papel, "Assimetria de propulsão azimutal em implosões de fusão por confinamento inercial na instalação nacional de ignição, "pelos colegas do LLNL Robert Hatarik, Richard Bionta, Brian MacGowan, Prav Patel, Nino Landen, Ed Hartouni e Omar Hurricane.