Op zijn hoogtepunt, een NIF-inertiële opsluitingsfusie (ICF)-implosie duurt ongeveer 100 biljoenste van een seconde. De geïmplodeerde brandstof heeft een diameter van honderd miljoensten van een meter en is maar liefst acht keer zo dicht als lood. Het centrum van de geïmplodeerde capsule is een paar keer heter dan de kern van de zon.

Het ontwikkelen van een duidelijk begrip van wat er precies gebeurt in een NIF-implosie onder die extreme omstandigheden is een van de grootste uitdagingen waarmee onderzoekers worden geconfronteerd als ze werken aan het bereiken van fusie-ontsteking op 's werelds grootste en meest energieke lasersysteem.

Om die uitdaging aan te gaan, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en zijn partnerlaboratoria en universiteiten hebben een uitgebreide suite van meer dan een dozijn nucleaire diagnostiek ontworpen en gebouwd, met meer onderweg.

"Wat je zou willen bij het diagnosticeren van de implosie is om alles te weten over het imploderende plasma, " zei LLNL-natuurkundige Dave Schlossberg.

"De nucleaire diagnostische suite probeert verschillende parameters aan te pakken die je onafhankelijk kunt meten, " zei hij. "Het neutronenbeeldvormingssysteem meet de ruimtelijke verdeling van de implosie. Neutron time-of-flight diagnostiek meet de gemiddelde energie en driftsnelheid. En de gammareactiegeschiedenis meet emissie met betrekking tot tijd. Door die informatie te verzamelen, we vormen samen een beter beeld van wat er gaande is in de implosie."

"Sommige diagnostiek 'overspraak' met elkaar, " voegde natuurkundige Kelly Hahn toe. "Sommige bieden verschillende stukjes (informatie), sommige hebben vergelijkbare stukken en we kunnen ze allemaal samenbrengen om een ​​uitgebreider beeld samen te stellen. Als u ontsteking wilt bereiken, nucleaire diagnostiek is cruciaal."

Aanwijzingen voor prestaties

Een van de belangrijkste factoren die aanwijzingen geven voor implosieprestaties zijn de neutronenopbrengst, de ionen (plasma) temperatuur en de neerwaartse verstrooiingsverhouding - de verhouding tussen het aantal hoogenergetische neutronen en laagenergetische neutronen die zijn verstrooid door interacties met de waterstofisotopen in de brandstof, een indicatie van de brandstofdichtheid en de verdeling van de koude brandstof rond de hotspot.

Ook belangrijk zijn de knaltijd - de tijd van de piekemissie van neutronen die de snelheid van de implosie kenmerkt - en de brandbreedte, hoe lang de implosie neutronen produceert.

Al deze parameters, en anderen, worden beoordeeld door nucleaire diagnostiek.

"De nucleaire diagnostiek is in feite de enige diagnostiek die echt de brandstofdichtheid en temperatuur meet, "Zei Alastair Moore, leider van de Nuclear Diagnostics Group. "En ze zijn van cruciaal belang om te begrijpen hoe goed we de brandstof hebben geassembleerd en hoe dicht we bij de ontsteking zijn."

In NIF ICF-experimenten, tot 192 krachtige laserstralen verwarmen een cilindrische röntgen "oven" genaamd een hohlraum. De röntgenstralen comprimeren de waterstofisotopen, deuterium en tritium (DT), gedeeltelijk bevroren in een kleine capsule opgehangen in de hohlraum. Als de dichtheid en temperatuur hoog genoeg zijn en lang genoeg duren, de brandstof zal ontbranden en een zichzelf in stand houdende thermonucleaire reactie genereren die zich door de brandstof verspreidt en een grote hoeveelheid energie vrijgeeft, voornamelijk in de vorm van hoogenergetische neutronen.

Het implosieproces creëert temperaturen en drukken die vergelijkbaar zijn met die in sterren, reuzenplaneten en nucleaire ontploffingen. NIF is een belangrijk onderdeel van het Stockpile Stewardship Program van de National Nuclear Security Administration, en experimenten op NIF bevorderen wetenschappelijk onderzoek naar wetenschap met hoge energiedichtheid (HED), waaronder astrofysica, materiaalkunde en ICF.

Onbekende onbekenden

Een bijzondere waarde van NIF's nucleaire diagnostiek is hun vermogen om vragen te helpen beantwoorden waarvan onderzoekers niet eens wisten dat ze ze hadden - wat wetenschappers 'onbekende onbekenden' noemen.

Onlangs, bijvoorbeeld, de reeks van vier neutronen-time-of-flight-detectoren die rond de doelkamer waren geplaatst, onthulden dat de kleine hotspot in het midden van de implosie met een snelheid van ongeveer 100 kilometer per seconde afdreef - een indicatie van implosie-asymmetrie, een belangrijke oorzaak van verminderde prestaties.

"We hadden oorspronkelijk twee spectrometers, " zei natuurkundige Ed Hartouni, "en het toevoegen van een derde spectrometer gaf ons de mogelijkheid om beweging te zien en de driftsnelheid van de hotspot te meten, wat helemaal niet verwacht werd. Het duurde eigenlijk vrij lang voordat het werd geaccepteerd, deze interpretatie van wat deze detectoren ons vertelden.

"Ze onthulden iets dat gaande was in de implosie dat we niet hadden verwacht, dat had niemand verwacht, ' zei hij. 'Dat de hotspot kon bewegen - het was nogal verrassend.'

"We hebben eigenlijk een vijfde spectrometer die online komt, " merkte Moore op, "wat ons een nog beter vermogen zal geven om te begrijpen of de hotspot beweegt, omdat we er asymmetrisch mee hebben gereden, of omdat de capsule asymmetrisch is, of de hohlraum is asymmetrisch. Al deze faalwijzen die tot slechte implosieprestaties kunnen leiden, kunnen direct worden gediagnosticeerd door meerdere spectrometers naar dezelfde implosie te laten kijken."

En dat is niet alles. In een samenwerking onder leiding van het Los Alamos National Laboratory (LANL) Neutron Imaging Team, onderzoekers van LANL, LLNL en het Laboratory for Laser Energetics (LLE) aan de Universiteit van Rochester hebben onlangs een derde neutronenbeeldvormingssysteem toegevoegd, NIS3, ontworpen om een ​​3D-beeld te leveren dat de grootte en vorm van het brandende DT-plasma laat zien tijdens de ontstekingsfase van een implosie.

De hotspotgrootte en brandstofasymmetrie worden bepaald op basis van het beeld van de primaire, of hoge energie, neutronen, en de dichtheid van het koude brandstofoppervlak, bekend als rho-R, wordt afgeleid uit de downscatter-ratio. Oppervlaktedichtheid is een belangrijke factor in de uiteindelijke configuratie van de brandstof voor het verkrijgen van ontsteking en fusieverbranding.

"Terwijl NIF op weg is naar hogere prestaties, het begrijpen van de driedimensionale aard van deze implosies wordt van cruciaal belang, " zei LLNL-natuurkundige David Fittinghoff. "Met de twee vorige neutronenbeeldvormingslijnen (op de evenaar en de noordpool van de doelkamer) moesten we een aanname maken over de symmetrie van de implosie.

"Nu hebben we met de nieuwe NIS3 drie orthogonale zichtlijnen waarmee we een volume fuserend plasma kunnen reconstrueren, ' zei hij. 'Een analogie kan het verschil zijn tussen het zien van een schilderij van een man en het daadwerkelijk rondlopen in zijn beeldhouwwerk.'

Samen met het verbeteren van neutronenbeeldvorming, NIS3 biedt ook een zichtlijn voor het afbeelden van gammastralen die worden geproduceerd door inelastische verstrooiing van de fusie-neutronen van koolstof in het materiaal van de doelcapsule dat tijdens een implosie achterblijft. Dit zou onderzoekers kunnen helpen bij het bepalen van de hoeveelheid en het effect van het mengen van capsulemateriaal met de fusiebrandstof, een bekende bron van prestatievermindering.

In 2017 werd nog een belangrijke diagnostische upgrade voltooid met de installatie van een reeks van 48 realtime neutronenactiveringsdetectoren, of RT-NAD's, op strategische locaties rond de doelkamer.

Eerdere NAD's, flens-NAD's genoemd, werkte toen onverstrooide neutronen een monster van zirkonium activeerden. De geactiveerde monsters werden uit de kamer verwijderd en het activeringsniveau werd bepaald met behulp van nucleaire teltechnieken elders op de site. Activering van de real-time NAD-detectoren wordt ter plaatse bewaakt, een betere bemonstering van de hoekverdeling van de niet-verstrooide neutronenopbrengst met een veel snellere doorlooptijd en tegen aanzienlijk lagere bedrijfskosten.

Het systeem biedt bijna real-time bepaling van de neutronenfluïditeitsverdeling. Het werkt meer dan twee tot drie ordes van grootte van neutronenopbrengst, het verstrekken van schattingen van de totale opbrengst tot op 2 procent of beter.

"De opbrengst van neutronen varieert in de kamer omdat je verschillende diktes van de brandstof hebt in de gecomprimeerde kern van de explosie, " legde Moore uit. "RT-NAD's zijn in de eerste plaats een manier om te vertellen hoe de brandstof wordt verdeeld rond de hotspot wanneer de capsule knalt."

"Het heeft twee keer het aantal detectoren en vijf keer de gevoeligheid" van het flens NAD-systeem, opgemerkt diagnostisch fysicus Richard Bionta, verantwoordelijke wetenschapper voor het RT-NADs-systeem. "In het oude systeem we hadden maar één detector. Elk van de 20 pucks werd één voor één in de detector geplaatst, dus dat duurde vijf dagen om door te gaan. (De RT-NAD's) zijn zeker een stuk beter dan de manier waarop we het vroeger deden."

"Richard heeft meer dan twee jaar besteed aan het ontwikkelen van de mogelijkheid om die gegevensstroom te beheren, " voegde Moore eraan toe. "Je hebt 48 detectoren die elke 10 minuten uitlezen en terabytes aan gegevens produceren. Je probeert dat te analyseren en dat plaatje weer in elkaar te zetten, van wat er met het schot gebeurde."