Cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e do Laboratório de Laser Energetics (LLE) descreveram um modelo 3D simples em hohlraums e cápsulas para implosões de fusão por confinamento inercial (ICF). O modelo ajudará a fornecer a simetria de implosão necessária em implosões de deutério-trítio em camadas (DT) para ignição.

Os resultados do trabalho removem muito do mistério associado com a variabilidade na direção observada e magnitude da velocidade do ponto quente de implosões de DT em camadas como parte dos experimentos de ignição.

Brian MacGowan, Cientista do LLNL e autor principal do artigo apresentado em Física de alta densidade de energia, disse que os resultados revelam uma fonte importante para a assimetria 3D nas implosões da CIF e estabelecem a estrutura por meio da qual todas as causas principais conhecidas foram descobertas.

"O artigo quantifica a sensibilidade da velocidade medida do ponto de acesso comprimido em implosões de DT em camadas criogenicamente, para o modo 1 assimetria do fluxo de raios-X na cápsula, dentro de hohlraums de impulsos indiretos, que são cavidades aquecidas a laser que produzem uma unidade de radiação de raios-X que implode uma cápsula cheia de deutério, " ele disse.

Uma assimetria de modo 1 de 1 por cento implica que a ablação extremamente simétrica da superfície da cápsula pelos raios X está efetivamente empurrando 1 por cento mais forte em uma direção particular, em vez de ser esfericamente simétrica. Essa diferença é suficiente para fazer com que o ponto de acesso tenha uma velocidade residual de até 100km / s quando o projétil implodindo estagnar.

O artigo também estabelece um método para entender a variação na assimetria modo-1 do fluxo na cápsula devido a variações no desempenho do laser medido, construção de alvo conhecida e feixe esperado e variabilidade de alinhamento de alvo.

"Podemos relacionar a assimetria na entrega do laser e na construção do alvo com a assimetria do fluxo de raios-X na cápsula que é implodida para gerar as condições para que a fusão nuclear ocorra, "disse ele." Antes desta análise, a variabilidade da assimetria no ponto de acesso comprimido era considerada idiopática, como falta de explicação. Agora é algo que pode ser compreendido e potencialmente controlado. "

Compreendendo os modelos 3D hohlraum de assimetrias em implosões

MacGowan diz que é importante entender as fontes de assimetria 3D em hohlraums e cápsulas para implosões ICF, a fim de fornecer a simetria de implosão necessária em implosões DT em camadas para ignição.

A simetria pobre à medida que a concha converge leva à redução da pressão e ao confinamento reduzido no ponto de acesso e, portanto, ao rendimento de nêutrons reduzido. O principal diagnóstico da simetria do modo 1 na implosão de uma camada DT é a velocidade dos nêutrons emitidos do ponto quente. Esta velocidade mostrou ser variável em magnitude e direção e é um indicador do movimento em massa do ponto de acesso em uma direção particular devido a uma implosão assimétrica.

"Entender as fontes também permite definir especificações adequadas para corrigi-las ou implementar atenuações de design antes do experimento, como janelas de perda mais baixas, " ele disse.

Compreender a assimetria em uma construção de alvo específica antes do experimento, incluindo a espessura da casca fora do círculo no nível de +/- 0,5 mícron, também permite a implementação de ajustes na aplicação do laser no nível de poucos percentuais que usam o modo 1 produzido a laser para cancelar a assimetria da espessura da cápsula. Como o ajuste do laser é uma mudança sistemática para 192 feixes, a assimetria de modo 1 imposta pelo laser pode ser muito precisa e direcionada de acordo, mesmo quando a variabilidade usual da energia fornecida pela National Ignition Facility (NIF) é adicionada.

Este conceito foi demonstrado em um experimento recente no NIF que produziu rendimento quase recorde de nêutrons. O laser foi ajustado para produzir uma assimetria de modo 1 esperada de +/- 1,2 por cento do fluxo total de raios-X incidente na direção certa para compensar uma grande assimetria na espessura da cápsula.

Analisando experimentos desde 2016

O trabalho foi feito através da análise das fontes de assimetria do modo 1 do desempenho do laser e construção do alvo, juntamente com medições da magnitude e direção da velocidade do ponto de acesso de experimentos de implosão em camadas de 50 DT realizados desde 2016. A velocidade do ponto de acesso foi medida comparando os espectros de energia emitidos nêutrons em quatro ângulos de visão diferentes e, em seguida, derivando a velocidade média do ponto quente. Leia sobre as medições de tempo de voo de nêutrons (nToF) aqui.

O trabalho foi um processo de trabalho de detetive para identificar as fontes e sensibilidades com base nos dados disponíveis. Houve muito poucas fotos em que uma grande mudança foi feita em uma das fontes do modo 1 que isolaria o efeito de um parâmetro, já que as fontes costumam estar próximas da especificação dessa fonte em particular.

O modelo beneficia o trabalho futuro

MacGowan explica que o desenvolvimento e a validação do modelo de assimetria do modo 1 beneficia o LLNL, permitindo a explicação da variabilidade na velocidade do ponto de acesso observada e assimetria da densidade do combustível comprimido em termos de fontes do modo 1 no laser e no alvo que podem ser derivadas a partir de medições de diagnóstico.

"Em última análise, este trabalho nos ajuda a entender um princípio de degradação do desempenho do alvo e uma fonte de variabilidade de desempenho tiro a tiro, "disse ele." O trabalho estabelece uma moeda para troca de especificações de precisão no desempenho e alinhamento do laser, almeje construção e alinhamento e estabilidade da instalação. "

O modelo pode ser usado em estudos de sensibilidade e cálculos de Monte Carlo e permite a fácil propagação de incertezas para diferentes fontes. Por exemplo, o impacto de qualquer desvio correlacionado no alinhamento dos feixes NIF devido aos efeitos térmicos nos compartimentos de laser NIF pode ser comparado ao impacto de erros de fabricação de alvo ou instabilidade no sistema de geração de pulso NIF. Todos eles são comparados por meio de seu impacto na assimetria do modo 1 na cápsula e, em última análise, relacionados à velocidade do ponto de acesso que geram.

Ao quantificar o modo 1 induzido por laser e janelas e subtraindo-os da velocidade do ponto de acesso observada, é possível isolar o efeito de uma nova fonte, como o modo de espessura da cápsula-1. Este trabalho possibilitou a quantificação do efeito da espessura da cápsula modo-1 descrito em um artigo aqui referenciado.