Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e do Laboratório de Energia a Laser (LLE) estão trabalhando para melhorar as fontes de nêutrons de direção direta polar (PDD) na National Ignition Facility (NIF), o laser mais energético do mundo.

As fontes de nêutrons do PDD são cápsulas preenchidas com gás deutério-trítio (DT) à temperatura ambiente e disparadas com pulsos de laser robustos que não requerem controle de contraste de potência de laser rigoroso ou precisão de potência. Essas fontes são mais eficientes em termos de tempo e recursos para o campo no NIF do que as fontes convencionais de acionamento indireto que requerem camadas criogênicas de alta qualidade de gelo DT. Além disso, uma carga de detritos alvo gerada mais baixa permite que experimentos de efeitos de radiação de nêutrons se posicionem muito mais perto do alvo, criando um campo de radiação de nêutrons mais forte para teste.

A equipe melhorou substancialmente a saída total de fusão e a eficiência de conversão de energia de laser em fusão para PDD. A equipe também desenvolveu um empurrador explosivo PDD, ou PDXP, plataforma que permitiu o teste de efeitos de radiação de amostras recuperáveis ​​em níveis recordes de fluência de nêutrons de 14 MeV (Mega elétron-volt).

"Por mais de um ano e meio após o sucesso experimental inicial, este projeto de PDD era a maneira mais eficiente existente para converter a entrada de energia do laser em saída de fusão, "disse Charles Yeamans, líder da equipe e primeiro autor de um artigo que aparece em Fusão nuclear . Os co-autores incluem Elijah Kemp, Zach Walters, Heather Whitley e Brent Blue da LLNL, e Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma Garcia e Yujia Yang da LLE.

"Disparar lasers realmente grandes pode estimular reações de fusão como o que acontece no sol e em outras estrelas e terrestre no centro de uma detonação nuclear, "Yeamans disse." Queremos estudar como os intensos campos de radiação gerados a partir da fusão afetam os materiais, eletrônica e sistemas de engenharia como satélites e aviões. No NIF, somos capazes de controlar e posicionar nossos objetos de teste próximos a essa fonte. "

Adicionalmente, plataformas semelhantes de cápsulas de drive direto têm muitos aplicativos no NIF. Com diferentes preenchimentos de gás, eles podem ser usados ​​para estudos de reações nucleares de interesse para a astrofísica e como fonte de prótons para iluminação pontual. Eles também têm sido usados ​​para produzir pulsos curtos de raios-X contínuos de alto brilho para estudos estendidos da estrutura fina de absorção de raios-X (EXAFS) e para medições de opacidade. Adicionalmente, eles têm sido usados ​​para fazer grandes plasmas comprimidos para estudos de transferência de energia de elétron-íon.

"Geral, um projeto de fonte de nêutrons NIF melhor nos permite conduzir melhores testes de efeitos de radiação em maior número do que se dependêssemos apenas dos experimentos NIF convencionais, " ele disse.

Yeamans disse que o trabalho desenvolveu uma adição valiosa à capacidade geral de teste experimental de efeitos de radiação para o laboratório. "Também desenvolveu a capacidade de modelagem e simulação para compreender e melhorar o projeto da fonte de nêutrons, "disse ele." Com este trabalho, somos mais capazes de cumprir essa responsabilidade agora e no futuro. "

Sucesso da equipe

O trabalho foi conduzido por uma equipe de designers - cientistas que executam códigos de computador que fazem cálculos físicos complicados - e experimentalistas - engenheiros que entendem e operam o maior laser do mundo, e quem determina a melhor maneira de testar na prática o que funciona na simulação.

Vários dos membros da equipe trabalham em ambas as funções, e outros se especializam como designer ou experimentalista com base nas necessidades da equipe de pesquisa. Dezesseis dias de tempo experimental NIF espalhados por mais de cinco anos foram incluídos no esforço de desenvolvimento da fonte, com os três designs de melhor desempenho, cada um realizado durante um dia de tiro em 2019, selecionados para discussão detalhada na publicação, disse Yeamans.

Heather Whitley, diretor de programa associado para Ciência de Densidade de Alta Energia no LLNL, desenvolveu o projeto inicial para uma cápsula de transmissão direta polar de grande diâmetro com Craxton e Garcia da LLE e Warren Garbett do estabelecimento de armas atômicas do Reino Unido.

"Esta plataforma é importante porque fornece alta fluência de nêutrons e permite o posicionamento próximo de amostras perto da fonte para experimentos de sobrevivência, "Whitley disse." A configuração da unidade direta polar também fornece excelente acesso de diagnóstico para outros experimentos de física de plasma de alta temperatura. "

Craxton do LLE ajudou a conduzir o trabalho dos alunos de graduação Garcia e Yang e disse que a participação dos alunos tem sido importante para esse trabalho. Cada aluno foi responsável pelo cálculo do feixe de laser otimizado que aponta para a implosão uniforme de um diâmetro específico da cápsula. Esta otimização é complicada pelos ângulos de entrada do feixe NIF sendo otimizados para acionar um alvo hohlraum cilíndrico. McKenty trabalhou em estreita colaboração com Craxton e o resto da equipe para determinar a forma ideal do pulso de laser.

"Passamos por uma série de experimentos ao longo de muitos anos, primeiro a produzir nêutrons para testar o diagnóstico de nêutrons do NIF enquanto o NIF estava sendo comissionado, "Craxton disse." Esses experimentos evoluíram para atender às necessidades de uma ampla variedade de aplicações, com os maiores alvos produzindo os altos rendimentos necessários para os experimentos de efeitos. "

Fundamental para o sucesso deste esforço foi a fabricação e o desenvolvimento de protocolos de teste adequados para obter dados importantes para a prescrição de pressões de campo seguras desses grandes (2-5 milímetros de diâmetro), cápsulas de parede fina (aproximadamente 10-30 micrômetros), que são mais suscetíveis a estourar. Isso foi feito pela equipe de fabricação de alvos principalmente na General Atomics (GA) em San Diego, trabalhando em estreita colaboração com a equipe de fabricação alvo do LLNL, bem como a equipe de física mencionada acima. Claudia Shuldberg e sua equipe lideraram o trabalho na GA, enquanto Bill Saied e Kelly Youngblood lideraram o esforço de engenharia de fabricação de destino no LLNL.