Os cientistas examinaram o desempenho do boro puro, carboneto de boro, abladores de alta densidade de carbono e nitreto de boro - o material que circunda um combustível de fusão e se acopla com a radiação laser ou hohlraum em um experimento - na plataforma do impulsor de explosão polar direta (PDXP), que é usado na National Ignition Facility (NIF). A plataforma usa a configuração de acionamento direto polar para acionar altas temperaturas de íons em uma cápsula em temperatura ambiente e tem aplicações potenciais para estudos de física de plasma e como fonte de nêutrons.

As principais descobertas do trabalho, apresentado em Física de alta densidade de energia , mostram que esses abladores alternativos não melhoram a simetria da implosão PDXP, de acordo com a autora principal Heather Whitley, diretor de programa associado para Ciência de Densidade de Alta Energia na seção de Física de Arma Fundamental no Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL).

"Embora nossas simulações prevejam que a plataforma não é receptiva às medições de acoplamento elétron-íon devido à falta de simetria de implosão, os materiais alternativos permitem um melhor acoplamento entre o laser e a cápsula, "ela disse." Nós planejamos testar esses impactos previstos em futuros experimentos com fontes de nêutrons. "

O Grupo de Trabalho de Fonte de Nêutrons do LLNL está examinando a melhoria no acoplamento porque poderia ajudar a melhorar o rendimento das fontes de nêutrons de acionamento direto polar, e, por fim, fornecer dados sobre a validade da modelagem a laser para simulações de acionamento direto.

Ao longo deste trabalho, a equipe também ajudou os desenvolvedores de código de simulação de fusão de confinamento inercial a implementar modelos mais avançados para acoplamento elétron-íon, e a modelagem das implosões do drive direto foi intimamente associada ao desenvolvimento do código.

O NIF fornece acesso a dados em plasmas extremamente quentes que ajudam a validar e melhorar a modelagem hidrodinâmica de radiação para uma variedade de sistemas laboratoriais e astrofísicos. Um dos principais objetivos do NIF é criar ignição em um plasma de deutério-trítio em laboratório, mas projetar experimentos com sucesso para atingir esse objetivo tem sido um desafio. O projeto desses experimentos depende muito de modelos de computador que se baseiam no entendimento e em suposições sobre o comportamento desses plasmas quentes.

Como nomeado pós-doutorado, Whitley trabalhou no Projeto Cimarron, um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório que teve como objetivo o uso de computação de alto desempenho para estudar a física de plasmas de ignição.

"O objetivo da Cimarron era desenvolver novos modelos que descrevessem o transporte de calor e massa em um nível microscópico para ajudar a melhorar nossa modelagem de experimentos de ignição, "disse ela." Seguindo o trabalho em modelos de computador, queríamos testar nossos novos modelos com dados experimentais e desenvolver a plataforma PDXP como uma forma de criar um plasma sem equilíbrio. "

Nestes experimentos, os íons são aquecidos mais rapidamente do que os elétrons por meio de um forte choque gerado por laser. A equipe pretendia usar espectroscopia com resolução de tempo, que é uma medida de quanta luz está sendo emitida do plasma em uma frequência específica, para medir as temperaturas dos íons e dos elétrons em função do tempo durante o experimento. Os dados permitiriam à equipe fazer uma comparação direta com os modelos que o Projeto Cimarron desenvolveu para algo chamado "acoplamento elétron-íon, ", que é um parâmetro que descreve como íons e elétrons trocam energia em um plasma.

Os experimentos testam o desempenho dos materiais no NIF

"A plataforma PDXP foi desenvolvida no NIF para estudar o equilíbrio elétron-íon, mas acabou sendo uma fonte de nêutrons ideal para várias outras campanhas, "disse Marilyn Schneider, co-autor do artigo e líder dos primeiros experimentos na plataforma.

"A grande vantagem desta plataforma é que ela é simples - camada esférica cheia de combustível - e permite vários diagnósticos de qualquer (e todas) portas NIF para obter dados e produzir alto rendimento de nêutrons, "Schneider disse." Esta pesquisa fez um estudo teórico de desempenho (rendimento de nêutrons) versus composição da casca e sua espessura. "

O físico do LLNL, Charles Yeamans, está preparando experimentos usando alguns dos abladores alternativos descritos no artigo. Ele disse que o trabalho descreve uma maneira particular de se mover através de um cálculo físico muito complicado e, em seguida, aplica essa metodologia para prever como os diferentes materiais da cápsula podem funcionar quando usados ​​em um experimento NIF.

O trabalho descreve como os dados dos experimentos anteriores com cápsulas plásticas, realizada pelo físico LLNL Schneider e Maria Gatu Johnson do Massachusetts Institute of Technology, foram usados ​​para entender por que certos métodos usados ​​foram mais eficazes na modelagem do sistema e na previsão das observações. A próxima etapa do processo foi fazer novas previsões com base na aplicação da metodologia a diferentes materiais de cápsulas.

"Projetamos novos experimentos com base nesses modelos, prevendo uma melhoria particularmente útil no desempenho, como maior rendimento, ou o modelo que prevê uma grande mudança em uma quantidade medida, como a trajetória da cápsula implodindo ou a temperatura da queima nuclear, "explicou ele." Em seguida, executamos os experimentos NIF para testar se o cálculo foi realmente bem-sucedido em prever a mudança no desempenho. "

Ele disse que sua função era entender os dados de filmagem anteriores do NIF como eles existem, entender a implicação das previsões do modelo, sintetizar essas duas categorias de informações para o projeto da próxima série de experimentos, e prepare esses experimentos.

O projeto inicial de 2016 usava um invólucro de plástico - ou ablator - preenchido com gás deutério com vestígios de dopante argônio. O argônio foi usado na medição espectroscópica, e o projeto garantiu separação de temperatura adequada entre elétrons e íons para viabilizar as medições.

As imagens da implosão das tomadas 2016-2017 realizadas por Schneider e Gatu Johnson indicaram que a concha de plástico estava muito empenada na implosão. Os feixes de laser que atingiram diretamente a cápsula imprimiram uma estrutura muito complicada na cápsula implodindo. Seguindo essas fotos, Whitley e a equipe postularam que mudar para um material ablator diferente pode permitir uma implosão mais simétrica, permitindo o aumento da pressão de deutério ou melhorando a forma como o material interage com o laser.

Experimentos NIF reúnem grandes equipes

Whitley disse que o projeto é um excelente exemplo de como o laboratório colabora com a academia para aplicar recursos computacionais e plataformas experimentais para melhorar a compreensão e as capacidades de modelagem preditiva para plasmas de ignição.

Frank Graziani, gerente do Projeto Cimarron e chefe do LLNL Center for High Energy Density Science, disse que a plataforma PDXP e a campanha de materiais ablator são um esforço internacional envolvendo design, experiência e perícia computacional do LLNL, Laboratório de Laser Energética, Estabelecimento de Armas Atômicas, Instituto de Tecnologia de Massachusetts e Universidade da Califórnia, Berkeley.

"Continuamos interessados ​​na validação de modelos físicos de plasma, como o acoplamento elétron-íon no regime de física de alta densidade de energia, "disse ele." A plataforma PDXP foi um passo significativo ao permitir-nos criar as condições necessárias e diagnosticá-las. A plataforma também provou ser uma fonte valiosa de nêutrons para experimentos. "