De National Ignition Facility (NIF) en General Atomics-ingenieurs van Lawrence Livermore National Laboratory hebben een brandstofcapsule met traagheidsopsluitingsfusie (ICF) gemaakt met een vulbuis met een diameter van twee micron - en onderweg, vond een oplossing voor een "Bay Bridge"-achtig dilemma dat het fabricageproces van NIF-capsules dramatisch had kunnen vertragen.

Vorige maand, NIF voerde de eerste test uit van een buis van twee micron die werd gebruikt om waterstofbrandstof in een doelcapsule te injecteren. De kleine buis werkte zoals ontworpen en verkleinde de voetafdruk van de vijf en 10 micron buizen waarvan werd aangetoond dat ze problemen veroorzaakten bij NIF-implosies.

De slanke glazen buizen passen ook in brandstofcapsules die met een andere techniek zijn gemaakt, drukcyclus genoemd, wat nieuw was voor deze toepassing. Dat verkortte de productietijd van een verwachte zes maanden tot ongeveer twee dagen.

Beide verbeteringen zijn belangrijke stappen in de richting van het bereiken van de voorraadbeheermissie van NIF. ICF is een belangrijk aspect van het waarborgen van de veiligheid, veiligheid en betrouwbaarheid van de kernwapens van het land.

"Nu gaan we zien hoeveel beter het wordt als je de vulbuis nog kleiner maakt, "Zei plaatsvervangend programmamanager Michael Stadermann. "Van 10 naar vijf gaan (in eerdere experimenten) was een grote prestatieverbetering."

De vulbuizen worden gebruikt om een ​​brandstofmengsel van deuterium en tritium (DT) te injecteren in een bolvormige schaal ter grootte van een peperkorrel, opgehangen in een hohlraum. NIF's 192 hoogenergetische laserstralen raken de binnenmuren van de hohlraum, het genereren van röntgenstralen die een fusiereactie veroorzaken wanneer het DT-mengsel wordt samengeperst tot een energiegenererende hotspot.

Verstoringen verslechteren de prestaties

Maar onderzoekers bepaalden eerder door middel van opnamegegevens en computersimulaties dat 10-micron vulbuizen, terwijl slechts ongeveer een zesde van de gemiddelde diameter van mensenhaar, een factor waren in verstoringen die de implosieprestaties van NIF verslechterden, vooral bij experimenten met diamanten ablatorschelpen.

"Idealiter als je een experiment op NIF doet, je wilt een smetteloze ronde schil met de brandstof erin, "Zei Stadermann. "Elke vorm van afwijking van perfect leidt tot verstoringen, wat op zijn beurt de hoeveelheid fusie die we kunnen krijgen kan verminderen."

De vulbuis, hij legde uit, leidt tot een "klein raadsel. We moeten de brandstof in de capsule krijgen, maar op het zelfde moment, als we een vulbuis erin stoppen, we creëren een imperfectie."

Het verkleinen van de breedte van 10 micron naar vijf micron hielp. Eerder dit jaar, NIF behaalde een totale fusie-neutronenopbrengst van 1,9 × 10 ¹⁶ (19 quadriljoen), het dubbele van het vorige record. De complexiteit van het afslanken van de vulbuizen, echter, verhoogde de productietijd van capsules van ongeveer een week tot ongeveer vier weken.

Diamond Materials GmbH in Duitsland maakt diamanten schelpen door een siliconen kogeldoorn te overcoaten met koolstof met een hoge dichtheid. Bij General Atomics in San Diego, een mengsel van salpeter- en fluorwaterstofzuur wordt door een voor de vulbuis geboord gat geïnjecteerd. Het zuur etst het materiaal van de doorn uit, uiteindelijk alleen de diamanten schelp achterlatend, die vervolgens aan de vulbuis wordt bevestigd om capsulevulbuisassemblages te vormen.

Met bredere vulgaten, de in zuur opgeloste doorn zou binnen enkele dagen door diffusie door het gat naar buiten komen. De overstap naar 5-micron vulbuizen, echter, vereiste kleinere lasergeboorde vulgaten, waardoor de diffusietijd werd verlengd.

Stadermann vergeleek de vertraging met het woon-werkverkeer van de San Francisco-Oakland Bay Bridge in de ochtend.

"Hoe smaller je die opening maakt, hoe moeilijker het is om de opgeloste doorn eruit te krijgen, "zei hij. "Het is alsof je een snelweg met acht rijstroken hebt die San Francisco binnengaat en plotseling snijd je hem af tot vier rijstroken. Je probeert nog steeds elke dag hetzelfde aantal auto's de stad in te krijgen, dus je krijgt een verkeersopstopping en het zal veel langer duren voordat iedereen binnen is."

Bij het overwegen van een slankere buis ongeveer een jaar geleden, Ingenieurs van LLNL en General Atomics maakten een ontmoedigende berekening:op basis van de exponentiële tijdstoename die nodig is om van 10 micron naar 5 micron te gaan, het maken van de capsule voor een buis van twee micron kan wel zes maanden duren.

"Dat was ondraaglijk, blijkbaar, ', aldus Stadermann.

General Atomics engineer Casey Kong noemde de taak "behoorlijk ontmoedigend".

"Toen het idee van vulbuizen van twee micron de ronde deed, we grapten dat we allemaal met pensioen zouden zijn tegen de tijd dat één schelp klaar was met uitlogen, " hij zei.

Druk fietsen

Onverschrokken, het General Atomics-team - inclusief Neal Rice en Wendi Sweet - drong naar voren. Kong zei dat het idee van fietsen onder druk van verschillende mensen kwam, waaronder Lab-wetenschapper Tom Braun, die een video liet zien die laat zien hoe druk vloeistof in en uit een schaal kan drijven voor een andere NIF-gerelateerde toepassing. LLNL-wetenschappers Juergen Biener en Tom Bunn hebben de inspanningen van het General Atomics-team ondersteund.

Met drukcycli, de schaal wordt in een klein flesje in een drukvat geplaatst. De druk wordt verhoogd tot wel vijf atmosfeer, het krimpen van de gasbel die zich binnenin vormt door het etsproces en het aanzuigen van vers zuur. Het vat wordt dan drukloos gemaakt, die de bel uitzet en het ongewenste doornmateriaal naar buiten duwt. De cyclus wordt herhaald totdat het resterende materiaal is uitgestroomd.

"We waren in staat om dit etsproces te verminderen van zes maanden tot enkele dagen voor het gat van twee micron, tegelijkertijd het verkorten van de tijd voor boorgaten van 5 micron tot minder dan een dag van ongeveer een maand, ', aldus Stadermann.

Het team moest er ook voor zorgen dat de fragiele buizen van twee micron konden worden gemaakt en geassembleerd met de capsule. Het twee micron-gedeelte van de buis is slechts ongeveer een millimeter lang en sluit aan op een langer gedeelte dat taps toeloopt voorbij de capsule tot een diameter van ongeveer 40 micron.

Maar de leverancier die de buis van 5 micron maakte, kon geen dunnere versie leveren. Jay Crippen, engineering productie liaison voor de General Atomics Inertial Fusion Technologies divisie, werkte met andere leveranciers om een ​​nieuwe bron te kwalificeren.

Het team moest ook de lijm testen die de buis op zijn plaats houdt terwijl brandstof wordt ingepompt en cryogeen wordt ingevroren. zei Crippen, die Stadermann prees als een 'tovenaar van de montage'.

Bij LLNL zijn twee doelen met vulbuizen van twee micron geassembleerd om ervoor te zorgen dat ze het proces zullen overleven. Terwijl het team de productie- en verwerkingsprocedures verfijnt, de leden zijn ervan overtuigd dat het proces het komende jaar routine kan worden.

"We wisten dat er een leercurve zou zijn, ' zei Crippen.