Novas pesquisas da Universidade de Rochester irão aumentar a precisão dos modelos de computador usados ​​em simulações de implosões a laser. A pesquisa, publicado no jornal Física da Natureza , aborda um dos desafios na busca de longa data dos cientistas para alcançar a fusão.

Em experimentos de fusão de confinamento inercial conduzida por laser (ICF), como os experimentos conduzidos no Laboratório de Laser Energética da Universidade de Rochester (LLE), feixes curtos consistindo de intensos pulsos de luz - pulsos que duram meros bilionésimos de segundo - fornecem energia para aquecer e comprimir um alvo de células a combustível de hidrogênio. Idealmente, esse processo liberaria mais energia do que a usada para aquecer o sistema.

Os experimentos da ICF movidos a laser exigem que muitos feixes de laser se propaguem através de um plasma - uma sopa quente de elétrons e íons em movimento livre - para depositar sua energia de radiação precisamente no alvo pretendido. Mas, como as vigas fazem isso, eles interagem com o plasma de maneiras que podem complicar o resultado pretendido.

"A ICF necessariamente gera ambientes em que muitos feixes de laser se sobrepõem em um plasma quente ao redor do alvo, e é reconhecido há muitos anos que os feixes de laser podem interagir e trocar energia, "diz David Turnbull, um cientista LLE e o primeiro autor do artigo.

Para modelar com precisão essa interação, os cientistas precisam saber exatamente como a energia do feixe de laser interage com o plasma. Embora os pesquisadores tenham oferecido teorias sobre as maneiras pelas quais os feixes de laser alteram um plasma, nenhum jamais foi demonstrado experimentalmente.

Agora, pesquisadores do LLE, junto com seus colegas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore na Califórnia e do Centre National de la Recherche Scientifique na França, demonstraram diretamente pela primeira vez como os feixes de laser modificam as condições do plasma subjacente, por sua vez, afetando a transferência de energia em experimentos de fusão.

“Os resultados são uma grande demonstração da inovação do Laboratório e da importância de construir um entendimento sólido das instabilidades de plasma-laser para o programa nacional de fusão, "diz Michael Campbell, o diretor do LLE.

USANDO SUPERCOMPUTADORES PARA MODELAR A FUSÃO

Os pesquisadores costumam usar supercomputadores para estudar as implosões envolvidas em experimentos de fusão. É importante, Portanto, que esses modelos de computador representem com precisão os processos físicos envolvidos, incluindo a troca de energia dos feixes de laser para o plasma e, eventualmente, para o alvo.

Na última década, pesquisadores usaram modelos de computador que descrevem a interação mútua do feixe de laser envolvida em experimentos de fusão acionados por laser. Contudo, os modelos geralmente assumem que a energia dos feixes de laser interage em um tipo de equilíbrio conhecido como distribuição Maxwelliana - um equilíbrio que se esperaria na troca quando não há lasers presentes.

"Mas, claro, lasers estão presentes, "diz Dustin Froula, um cientista sênior do LLE.

Froula observa que os cientistas previram há quase 40 anos que os lasers alteram as condições plasmáticas subjacentes de maneiras importantes. Em 1980, foi apresentada uma teoria que previa essas funções de distribuição não Maxwelliana em plasmas de laser devido ao aquecimento preferencial de elétrons lentos pelos feixes de laser. Nos anos subsequentes, Bedros Afeyan '89 (Ph.D.) de Rochester, graduado em Rochester, previu que o efeito dessas funções de distribuição de elétrons não Maxwellianas mudaria a forma como a energia do laser é transferida entre os feixes.

Mas, na falta de evidências experimentais para verificar essa previsão, os pesquisadores não levaram em consideração isso em suas simulações.

Turnbull, Froula, e o estudante de graduação em física e astronomia, Avram Milder, conduziram experimentos nas Instalações de Laser Omega no LLE para fazer medições altamente detalhadas dos plasmas aquecidos a laser. Os resultados desses experimentos mostram pela primeira vez que a distribuição das energias dos elétrons em um plasma é afetada por sua interação com a radiação do laser e não pode mais ser descrita com precisão pelos modelos predominantes.

A nova pesquisa não apenas valida uma teoria de longa data, mas também mostra que a interação laser-plasma modifica fortemente a transferência de energia.

"Novos modelos em linha que melhor consideram as condições de plasma subjacentes estão atualmente em desenvolvimento, que deve melhorar a capacidade preditiva de simulações de implosão integradas, "Turnbull diz.