A National Ignition Facility (NIF) do Lawrence Livermore National Laboratory e os engenheiros da General Atomics criaram uma cápsula de combustível de fusão por confinamento inercial (ICF) com um tubo de enchimento de dois mícrons de diâmetro - e ao longo do caminho, encontrou uma solução para um dilema do tipo "Bay Bridge" que poderia ter retardado dramaticamente o processo de fabricação de cápsulas NIF.

Mês passado, O NIF conduziu o primeiro teste de um tubo de dois mícrons usado para injetar combustível de hidrogênio em uma cápsula alvo. O minúsculo tubo funcionou conforme projetado e reduziu a área ocupada pelos tubos de 5 e 10 mícrons que causaram problemas nas implosões de NIF.

Os finos tubos de vidro também se encaixam em cápsulas de combustível feitas com uma técnica diferente, chamado de ciclagem de pressão, o que era novo para este aplicativo. Isso reduziu o tempo de fabricação de seis meses projetados para cerca de dois dias.

Ambas as melhorias são etapas importantes para alcançar a missão de administração de estoque do NIF. A ICF é um aspecto fundamental para garantir a segurança, segurança e confiabilidade das armas nucleares do país.

"Agora vamos ver como fica melhor quando você torna o tubo de enchimento ainda menor, "disse o vice-gerente de programa Michael Stadermann." Ir de 10 para cinco (em experimentos anteriores) foi uma grande melhoria no desempenho. "

Os tubos de enchimento são usados ​​para injetar uma mistura de combustível de deutério e trítio (DT) em uma concha esférica do tamanho de um grão de pimenta suspensa dentro de um hohlraum. Os 192 feixes de laser de alta energia do NIF atingem as paredes internas do hohlraum, geração de raios-X que desencadeiam uma reação de fusão conforme a mistura DT se comprime em um ponto quente gerador de energia.

Perturbações degradam o desempenho

Mas os pesquisadores determinaram previamente, por meio de dados de tiro e simulações de computador, que tubos de 10 mícrons, enquanto apenas cerca de um sexto do diâmetro médio do cabelo humano, foram um fator nas perturbações que degradaram o desempenho de implosão do NIF, particularmente em experimentos usando conchas ablator de diamante.

"Idealmente, quando você faz um experimento no NIF, você quer ter um invólucro redondo perfeito que contenha o combustível, "Stadermann disse." Qualquer tipo de desvio do perfeito leva a perturbações, o que, por sua vez, pode reduzir a quantidade de fusão que podemos obter. "

O tubo de enchimento, ele explicou, leva a um "pequeno enigma. Temos que colocar o combustível dentro da cápsula, mas ao mesmo tempo, quando colocamos um tubo de enchimento, nós criamos uma imperfeição. "

Reduzir larguras de 10 mícrons para cinco mícrons ajudou. No início deste ano, NIF alcançou um rendimento total de nêutrons de fusão de 1,9 × 10 ¹⁶ (19 quatrilhões), o dobro do recorde anterior. A complexidade de emagrecer os tubos de enchimento, Contudo, aumentou o tempo de fabricação das cápsulas de cerca de uma semana para cerca de quatro semanas.

Diamond Materials GmbH na Alemanha fabrica cascas de diamante revestindo um mandril de esfera de silício com carbono de alta densidade. Na General Atomics em San Diego, uma mistura de ácido nítrico e fluorídrico é injetada através de um orifício feito para o tubo de enchimento. O ácido grava o material do mandril, eventualmente deixando apenas a concha de diamante, que é então ligado ao tubo de enchimento para formar conjuntos de tubo de enchimento de cápsula.

Com orifícios de preenchimento mais largos, o mandril dissolvido em ácido sairia por difusão através do orifício dentro de alguns dias. A mudança para tubos de enchimento de 5 mícrons, Contudo, exigia orifícios de preenchimento perfurados a laser menores, o que aumentou o tempo de difusão.

Stadermann comparou a desaceleração com o trajeto matinal entre San Francisco e Oakland Bay Bridge.

"Quanto mais estreita você faz essa abertura, mais difícil é tirar o mandril dissolvido, "ele disse." É como ter uma rodovia de oito pistas que vai até San Francisco e de repente você a corta para quatro pistas. Você ainda está tentando fazer com que o mesmo número de carros na cidade todos os dias, então você vai ter um engarrafamento e vai demorar muito mais para todos entrarem. "

Ao contemplar um tubo mais fino há cerca de um ano, Os engenheiros do LLNL e da General Atomics fizeram um cálculo desanimador:com base no aumento exponencial de tempo envolvido na passagem de 10 mícrons para 5 mícrons, fazer a cápsula acomodar um tubo de dois mícrons pode levar até seis meses.

"Isso foi insuportável, obviamente, "Stadermann disse.

O engenheiro geral Atomics Casey Kong considerou a tarefa "bastante assustadora".

"Quando a ideia de tubos de enchimento de dois mícrons foi lançada, brincamos que estaríamos todos aposentados quando uma concha acabasse de ser lixiviada, " ele disse.

Ciclagem de pressão

Destemido, a equipe da General Atomics - incluindo Neal Rice e Wendi Sweet - seguiu em frente. Kong disse que a ideia do ciclo de pressão veio de várias pessoas, incluindo o cientista de laboratório Tom Braun, que mostrou um vídeo mostrando como a pressão pode conduzir o líquido para dentro e para fora de uma concha para um aplicativo relacionado ao NIF diferente. Os cientistas do LLNL Juergen Biener e Tom Bunn ajudaram a apoiar os esforços da equipe da General Atomics.

Com o ciclo de pressão, a casca é colocada em um pequeno frasco dentro de um recipiente de pressurização. A pressão é aumentada para até cinco atmosferas, encolhendo a bolha de gás que se forma no processo de corrosão e sugando ácido novo. O vaso é então despressurizado, que expande a bolha e empurra o material indesejado do mandril. O ciclo é repetido até que o material restante flua para fora.

"Conseguimos reduzir esse processo de corrosão de seis meses para vários dias para o orifício de dois mícrons, ao mesmo tempo, encurtando o tempo para furos de 5 mícrons para menos de um dia de cerca de um mês, "Stadermann disse.

A equipe também teve que garantir que os frágeis tubos de dois mícrons pudessem ser feitos e montados com a cápsula. A porção de dois mícrons do tubo tem apenas cerca de um milímetro de comprimento e se conecta a uma porção mais longa que se afila além da cápsula para cerca de 40 mícrons de diâmetro.

Mas o fornecedor que fez o tubo de 5 mícrons não pôde fornecer uma versão mais fina. Jay Crippen, contato de engenharia e manufatura para a divisão de tecnologias de fusão inercial atômica da General Atomics, trabalhou com outros fornecedores para qualificar uma nova fonte.

A equipe também teve que testar a cola que mantém o tubo no lugar enquanto o combustível é bombeado e congelado criogenicamente, disse Crippen, que Stadermann elogiou como um "mago da montagem".

Dois alvos com tubos de enchimento de dois mícrons foram montados no LLNL para garantir que sobreviverão ao processo. Enquanto a equipe está refinando os procedimentos de manufatura e manuseio, seus membros estão confiantes de que o processo pode se tornar rotina no próximo ano.

"Sabíamos que haveria uma curva de aprendizado, "Crippen disse.