Nieuw onderzoek van de Universiteit van Rochester zal de nauwkeurigheid verbeteren van computermodellen die worden gebruikt in simulaties van lasergestuurde implosies. Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , richt zich op een van de uitdagingen in de al lang bestaande zoektocht van wetenschappers naar fusie.

In lasergestuurde inertiële opsluitingsfusie (ICF) experimenten, zoals de experimenten uitgevoerd aan de Universiteit van Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE), korte stralen bestaande uit intense lichtpulsen - pulsen die slechts miljardsten van een seconde duren - leveren energie om een ​​doelwit van waterstofbrandstofcellen te verwarmen en samen te drukken. Ideaal, dit proces zou meer energie vrijgeven dan werd gebruikt om het systeem te verwarmen.

Lasergestuurde ICF-experimenten vereisen dat veel laserstralen zich voortplanten door een plasma - een hete soep van vrij bewegende elektronen en ionen - om hun stralingsenergie precies op het beoogde doel af te zetten. Maar, terwijl de balken dat doen, ze interageren met het plasma op manieren die het beoogde resultaat kunnen compliceren.

"ICF genereert noodzakelijkerwijs omgevingen waarin veel laserstralen elkaar overlappen in een heet plasma rond het doelwit, en het wordt al vele jaren erkend dat de laserstralen kunnen interageren en energie kunnen uitwisselen, " zegt David Turnbull, een LLE-wetenschapper en de eerste auteur van het artikel.

Om deze interactie nauwkeurig te modelleren, wetenschappers moeten precies weten hoe de energie van de laserstraal interageert met het plasma. Terwijl onderzoekers theorieën hebben aangeboden over de manieren waarop laserstralen een plasma veranderen, geen enkele is ooit eerder experimenteel aangetoond.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de LLE, samen met hun collega's van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië en het Centre National de la Recherche Scientifique in Frankrijk, voor het eerst direct hebben aangetoond hoe laserstralen de omstandigheden van het onderliggende plasma wijzigen, die op hun beurt de overdracht van energie in fusie-experimenten beïnvloeden.

"De resultaten zijn een geweldige demonstratie van de innovatie in het laboratorium en het belang van het opbouwen van een solide begrip van laserplasma-instabiliteiten voor het nationale fusieprogramma, " zegt Michael Campbell, de directeur van de LLE.

SUPERCOMPUTERS GEBRUIKEN VOOR MODEL FUSION

Onderzoekers gebruiken vaak supercomputers om de implosies te bestuderen die betrokken zijn bij fusie-experimenten. Het is belangrijk, daarom, dat deze computermodellen de betrokken fysieke processen nauwkeurig weergeven, inclusief de uitwisseling van energie van de laserstralen naar het plasma en uiteindelijk naar het doel.

Het afgelopen decennium is onderzoekers hebben computermodellen gebruikt die de onderlinge laserstraalinteractie beschrijven die betrokken is bij lasergestuurde fusie-experimenten. Echter, de modellen gingen er in het algemeen van uit dat de energie van de laserstralen interageert in een soort evenwicht dat bekend staat als de Maxwelliaanse verdeling - een evenwicht dat men zou verwachten in de uitwisseling als er geen lasers aanwezig zijn.

"Maar, natuurlijk, lasers zijn aanwezig, " zegt Dustin Froula, een senior wetenschapper aan de LLE.

Froula merkt op dat wetenschappers bijna 40 jaar geleden voorspelden dat lasers de onderliggende plasmacondities op belangrijke manieren veranderen. 1980, er werd een theorie gepresenteerd die deze niet-Maxwelliaanse distributiefuncties in laserplasma's voorspelde vanwege de preferentiële verwarming van langzame elektronen door de laserstralen. In de daaropvolgende jaren, De afgestudeerde Rochester Bedros Afeyan '89 (Ph.D.) voorspelde dat het effect van deze niet-Maxwelliaanse elektronendistributiefuncties zou veranderen hoe laserenergie tussen bundels wordt overgedragen.

Maar bij gebrek aan experimenteel bewijs om die voorspelling te verifiëren, onderzoekers hebben er geen rekening mee gehouden in hun simulaties.

Turnbull, Froula, en afgestudeerde natuurkunde- en sterrenkundestudent Avram Milder voerde experimenten uit in de Omega Laser Facility aan de LLE om zeer gedetailleerde metingen te doen van de met laser verwarmde plasma's. De resultaten van deze experimenten laten voor het eerst zien dat de verdeling van elektronenenergieën in een plasma wordt beïnvloed door hun interactie met de laserstraling en niet langer nauwkeurig kan worden beschreven door heersende modellen.

Het nieuwe onderzoek bevestigt niet alleen een al lang bestaande theorie, maar het laat ook zien dat laser-plasma-interactie de overdracht van energie sterk wijzigt.

"Er worden momenteel nieuwe inline-modellen ontwikkeld die beter rekening houden met de onderliggende plasmacondities, die het voorspellend vermogen van geïntegreerde implosiesimulaties zou moeten verbeteren, ' zegt Turnbull.