Gegevens die twee factoren met elkaar in verband brengen die leiden tot implosie-asymmetrieën, hebben wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) een stap dichter bij het begrijpen van de kloof tussen simulaties en prestaties van inertiële opsluitingsfusie (ICF) -experimenten bij de National Ignition Facility (NIF) gebracht.

Deze experimenten hebben tot doel een zich voortplantende fusiegolf in deuterium-tritiumbrandstof te ontsteken. Om ontsteking te bereiken, de brandstof moet een zelfverhittingstoestand bereiken waarin de geproduceerde energie groter is dan het energieverlies door uitzetting, thermische geleiding en stralingskoeling.

De best presterende ICF-implosies, met centrale hotspot-drukken van 360 Gbar (miljard aardatmosfeer) en fusie-opbrengsten van 50 kilojoule, beginnen de effecten van zelfverhitting door fusie te laten zien. Maar deze experimenten presteren nog steeds slechter dan 1 en 2D-simulaties, die drukken boven 500 Gbar voorspellen en een dynamiek die wordt gedomineerd door zelfopwarming.

Door gegevens te analyseren van meerdere jaren van high-yield NIF ICF-experimenten, onderzoekers hebben een correlatie gevonden tussen de snelheid van de implosie van de hotspot en de asymmetrie van de oppervlaktedichtheid van de brandstof (de gecombineerde dikte en dichtheid van de imploderende bevroren fusiebrandstofschil).

De resultaten werden gerapporteerd in een Fysieke beoordelingsbrieven paper van Laboratory for Laser Energetics fysicus Hans Rinderknecht (die dit werk uitvoerde tijdens een Lawrence Fellow bij LLNL), LLNL-fysicus Dan Casey en LLNL-collega's.

"We weten dat asymmetrie een belangrijke verslechtering is van implosieprestaties, " zei Casey. "We ontdekten dat 3D-asymmetrie bestaat en tussen twee belangrijke metingen gecorreleerd is. Deze resultaten leggen de basis voor verder werk om de bronnen van de asymmetrieën op te sporen."

De correlatie was consistent in een breed scala van schot- en doelconfiguraties, inclusief opnamen van koolstof met hoge dichtheid (HDC), "BigFoot" (hoge adiabat, of verminderde compressie, HDC) en traditionele CH (plastic capsule) campagnes.

"We ontdekten dat de meeste implosies die werden uitgevoerd in de laatste drie jaar van het ICF-programma op NIF een onbedoelde asymmetrie hadden die de implosie opzij duwde in plaats van deze uniform te imploderen. Dit betekende dat een deel van de energie werd verspild, ' zei Rinderknecht.

Het opvallende samenvallen van grootte en richting tussen de hotspotsnelheid en de asymmetrie van de splijtstofoppervlaktedichtheid over een breed scala aan experimenten met gevarieerde ablatorsamenstelling, geschiedenis van laservermogen en andere factoren suggereren een gemeenschappelijk, systematische onderliggende oorzaak. De implosies hadden de neiging om naar de diagnostische vensters in de hohlraum te worden geduwd. Die vensters zijn bedekt met dunnere goudlagen waardoor röntgencamera's de capsule in de hohlraum kunnen zien.

Twee overlappende diagnoses

De onderzoekers pasten hun analysemethode toe op 44 implosies van cryogene deuterium-tritium-ijslagen uitgevoerd op NIF tussen 2016 en 2018. De bewegingsrichting van de hotspot werd waargenomen in 17 van de 18 HDC, 10 van 11 Bigfoot en zes van de 15 CH-implosies.

"Het is een klassiek verhaal over hoe twee datasets beter zijn dan één, ' zei Rinderknecht.

NAD's registreren hoeveel door fusie geproduceerde neutronen zonder verstrooiing uit de implosie komen. Deze diagnostische, daarom, kan de dichtheidsvariaties van brandstof in verschillende richtingen bepalen.

Echter, NAD's kunnen ook worden beïnvloed door de Doppler-verschuiving:als de implosie naar de detector beweegt, de neutronen krijgen een energieboost en het signaal wordt daarom verhoogd vanwege de energieafhankelijke NAD-activeringsdwarsdoorsnede. De nTOF-spectrometers meten ook de neutronen-dopplerverschuiving.

Diagnostiek is de enige manier om te observeren wat er werkelijk gebeurt in de implosies, maar ze kunnen gebrekkig zijn of verkeerd worden begrepen. "Als je data gaat verzamelen en interpreteren, het is gemakkelijk om ruzie te maken over of wat je ziet echt is of niet, vooral als het resultaat verrassend is, ' zei Rinderknecht.

"Toen ik beide datasets had, Ik begon ze samen te plotten - hotspotsnelheid versus asymmetrie van de dichtheid - en het gedeelde patroon kwam er meteen uit, " zei hij. "De twee ondersteunende datasets van twee verschillende en onafhankelijk doorgelichte diagnostiek bevestigden elkaar bij zoveel opnames met zulke verschillende omstandigheden, het werd duidelijk dat er iets echts en belangrijks aan de hand was."

Vooruit gaan, LLNL-onderzoekers ontwikkelen gedetailleerde modellen om stralingsverliezen door ramen meer kwantitatief te beoordelen, inclusief de effecten van raamarchitectuur en ablatiedynamiek.

"Op basis van deze gegevens is een onderzoeksprogramma gestart om de oorsprong van de aandrijfasymmetrie te vinden en te beheersen, wat een cruciale stap blijft voor de voortdurende inspanningen om de NIF te ontsteken, ', zeiden de onderzoekers in de krant.

Voorlopige resultaten geven aan dat asymmetrieën in laserafgifte vergelijkbaar zijn met die van de diagnostische vensters. Variaties in capsuledikte, variaties in ijslaagdikte en verkeerde uitlijning van laser naar doel kunnen ook bronnen van asymmetrie zijn.

"Er wordt gewerkt aan het identificeren en beheersen van de bron van deze asymmetrie en zal essentieel zijn voor het verder verbeteren van de implosieprestaties en het bereiken van ontsteking in ICF met indirecte aandrijving, ', aldus de onderzoekers.

Casey en Rinderknecht stonden op het papier, "Azimuthal Drive Asymmetrie in Inertial Confinement Fusion Implosions op de National Ignition Facility, " door LLNL-collega's Robert Hatarik, Richard Bionta, Brian MacGowan, Prav Patel, Nino Landen, Ed Hartouni en Omar Hurricane.