Em seu pico, uma implosão de fusão de confinamento inercial NIF (ICF) dura cerca de 100 trilionésimos de segundo. O combustível implodido tem cem milionésimos de metro de diâmetro e é até oito vezes mais denso que o chumbo. O centro da cápsula implodida é algumas vezes mais quente do que o sol.

Desenvolver uma compreensão clara de exatamente o que está acontecendo em uma implosão NIF sob essas condições extremas é um dos maiores desafios que os pesquisadores enfrentam enquanto trabalham para alcançar a ignição por fusão no maior e mais poderoso sistema de laser do mundo.

Para ajudar a enfrentar esse desafio, O Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e seus laboratórios e universidades parceiros projetaram e construíram um amplo conjunto de mais de uma dúzia de diagnósticos nucleares, com mais a caminho.

"O que você gostaria ao diagnosticar a implosão é saber tudo sobre o plasma implodindo, "disse o físico do LLNL Dave Schlossberg.

"O conjunto de diagnóstico nuclear tenta lidar com diferentes parâmetros que você pode medir de forma independente, "disse ele." O sistema de imagem de nêutrons mede a distribuição espacial da implosão. Os diagnósticos de tempo de vôo de nêutrons medem a energia média e a velocidade de deriva. E o histórico da reação gama mede a emissão em relação ao tempo. Ao reunir essas informações, reunimos uma imagem melhor do que está acontecendo na implosão. "

"Alguns dos diagnósticos 'conversam' entre si, "acrescentou o físico Kelly Hahn." Alguns fornecem diferentes peças (de informações), alguns têm peças semelhantes e podemos juntá-los todos para montar uma imagem mais abrangente. Se você deseja alcançar a ignição, diagnósticos nucleares são cruciais. "

Pistas para o desempenho

Entre os principais fatores que fornecem pistas para o desempenho da implosão estão o rendimento de nêutrons, a temperatura do íon (plasma) e a razão de dispersão inferior - a razão entre o número de nêutrons de alta energia e nêutrons de baixa energia que foram espalhados por meio de interações com os isótopos de hidrogênio no combustível, uma indicação da densidade do combustível e distribuição do combustível frio ao redor do ponto quente.

Também importantes são o tempo de explosão - o tempo de emissão de nêutrons de pico que caracteriza a velocidade da implosão - e a largura de queima, o tempo que a implosão está produzindo nêutrons.

Todos esses parâmetros, e outros, são avaliados por diagnósticos nucleares.

"Os diagnósticos nucleares são basicamente os únicos diagnósticos que realmente medem a densidade e a temperatura do combustível, "disse Alastair Moore, líder do Grupo de Diagnóstico Nuclear." E eles são completamente críticos para entender quão bem montamos o combustível e quão perto da ignição estamos. "

Em experimentos NIF ICF, até 192 feixes de laser potentes aquecem um "forno" cilíndrico de raios-X denominado hohlraum. Os raios X comprimem os isótopos de hidrogênio, deutério e trítio (DT), parcialmente congelado dentro de uma pequena cápsula suspensa dentro do hohlraum. Se a densidade e a temperatura forem altas o suficiente e durarem o suficiente, o combustível vai se inflamar e gerar uma reação termonuclear autossustentável que se espalha através do combustível e libera uma grande quantidade de energia, principalmente na forma de nêutrons de alta energia.

O processo de implosão cria temperaturas e pressões semelhantes às encontradas dentro das estrelas, planetas gigantes e detonações nucleares. O NIF é um componente-chave do Programa de Gerenciamento de Estoque da Administração de Segurança Nuclear Nacional, e experimentos em NIF avançam a pesquisa científica em ciência de alta densidade de energia (HED), incluindo astrofísica, ciência dos materiais e ICF.

Desconhecidos desconhecidos

Um valor particular do diagnóstico nuclear do NIF é sua capacidade de ajudar a responder perguntas que os pesquisadores nem sabiam que tinham - o que os cientistas chamam de "desconhecidos desconhecidos".

Recentemente, por exemplo, a matriz de quatro detectores de tempo de vôo de nêutrons posicionados ao redor da câmara alvo revelou que o minúsculo ponto quente no centro da implosão estava à deriva a uma velocidade de cerca de 100 quilômetros por segundo - uma indicação de assimetria de implosão, uma das principais causas da degradação do desempenho.

"Originalmente, tínhamos dois espectrômetros, "disse o físico Ed Hartouni, "e adicionar um terceiro espectrômetro nos deu a capacidade de ver o movimento e medir a velocidade de deriva do ponto quente, o que não era esperado. Na verdade, demorou um pouco para ser aceito, esta interpretação do que esses detectores estavam nos dizendo.

"Eles revelaram algo que estava acontecendo na implosão que não prevíamos, que ninguém esperava, "ele disse." Que o ponto quente pudesse se mover - foi bastante surpreendente. "

"Na verdade, temos um quinto espectrômetro entrando em operação, "observou Moore, "o que nos dará uma capacidade ainda melhor de entender se o ponto quente está se movendo porque o conduzimos de forma assimétrica, ou porque a cápsula é assimétrica, ou o hohlraum é assimétrico. Todos esses modos de falha que podem levar a um baixo desempenho de implosão podem ser diagnosticados diretamente por meio de múltiplos espectrômetros observando a mesma implosão. "

E isso não é tudo. Em uma colaboração liderada pela Equipe de Imagens de Neutrons do Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL), pesquisadores do LANL, LLNL e o Laboratório de Laser Energética (LLE) da Universidade de Rochester adicionaram recentemente um terceiro sistema de imagem de nêutrons, NIS3, projetado para fornecer uma imagem 3-D mostrando o tamanho e a forma do plasma DT em chamas durante o estágio de ignição de uma implosão.

O tamanho do ponto quente e a assimetria de combustível são determinados a partir da imagem do primário, ou de alta energia, nêutrons, e a densidade de área do combustível frio, conhecido como rho-R, é inferido a partir da taxa de dispersão inferior. A densidade da área é um fator importante na configuração final do combustível para a obtenção da ignição e queima por fusão.

"À medida que o NIF avança em direção a um desempenho superior, compreender a natureza tridimensional dessas implosões torna-se crítico, "disse o físico do LLNL David Fittinghoff." Com as duas linhas de visão de imagens de nêutrons anteriores (no equador e no pólo norte da câmara-alvo), tivemos que fazer uma suposição sobre a simetria da implosão.

"Agora, com o novo NIS3, temos três linhas de visão ortogonais para reconstruir um volume de plasma em fusão, "disse ele." Uma analogia pode ser a diferença entre ver a pintura de um homem e realmente andar em volta de sua escultura. "

Além de melhorar a imagem de nêutrons, O NIS3 também fornece uma linha de visão para imagens de raios gama produzidos pelo espalhamento inelástico dos nêutrons de fusão do carbono no material da cápsula alvo remanescente durante uma implosão. Isso pode ajudar os pesquisadores a determinar a quantidade e o efeito da mistura do material da cápsula com o combustível de fusão, uma fonte conhecida de degradação do desempenho.

Mais uma grande atualização de diagnóstico foi concluída em 2017 com a instalação de uma série de 48 detectores de ativação de nêutrons em tempo real, ou RT-NADs, em locais estratégicos ao redor da Câmara alvo.

NADs anteriores, chamados NADs de flange, funcionou quando nêutrons não espalhados ativaram uma amostra de zircônio. As amostras ativadas foram removidas da câmara e o nível de ativação foi determinado usando técnicas de contagem nuclear em outras partes do local. A ativação dos detectores NAD em tempo real é monitorada in situ, fornecendo melhor amostragem da distribuição angular do rendimento de nêutrons não espalhados com uma rotação muito mais rápida e a um custo operacional significativamente mais baixo.

O sistema fornece determinação quase em tempo real da distribuição da fluência de nêutrons. Ele opera em duas a três ordens de magnitude de produção de nêutrons, fornecendo estimativas de rendimento geral precisas de 2 por cento ou melhor.

"O rendimento de nêutrons varia ao redor da câmara porque você tem diferentes espessuras de combustível no núcleo comprimido da explosão, "Moore explicou." RT-NADs é principalmente uma maneira de dizer como o combustível é distribuído ao redor do ponto quente quando a cápsula explode. "

"Tem o dobro do número de detectores e cinco vezes a sensibilidade" do sistema NADs de flange, famoso físico de diagnóstico Richard Bionta, cientista responsável pelo sistema RT-NADs. "No sistema antigo, tínhamos apenas um detector. Cada um dos 20 discos foi colocado no detector, um de cada vez, então demorou cinco dias para acontecer. (Os RT-NADs) são certamente muito melhores do que a forma como costumávamos fazer. "

"Richard passou mais de dois anos desenvolvendo a capacidade de gerenciar esse fluxo de dados, "acrescentou Moore." Você tem 48 detectores que leem a cada 10 minutos e produzem terabytes de dados. Você tenta analisar isso e juntar as peças novamente, do que aconteceu com o tiro. "