Een team van wetenschappers heeft een analyse uitgevoerd van direct aangedreven gouden bol-experimenten om warmtetransportmodellen te testen die worden gebruikt in inertiële opsluitingsfusie (ICF) en hoge energiedichtheid (HED) -modellering. Het bleek dat een te grote beperking van de warmtestroom onenigheid met de meting veroorzaakte.

Echter, simulaties met een gereduceerd niet-lokaal warmtetransportmodel kwamen kwantitatief overeen met de plasmacondities (zowel elektronendichtheid als temperatuur) afgeleid uit de optische Thomson-verstrooiingsdiagnose, en dat de plasmacondities kwalitatief consistent waren met een lokale, onbeperkt warmtetransportmodel. Verder, meningsverschillen in laserkoppeling en uitgestraald vermogen zijn waarschijnlijk te wijten aan tekortkomingen in modellen van andere fysieke processen.

Dit werk werd gepresenteerd als een uitgenodigde lezing op de bijeenkomst van de APS Division of Plasma Physics 2020, en het verschijnt in Fysica van plasma's in de "Special Collection:Papers from the 62nd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics." Het werk is het resultaat van een samenwerking tussen het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), het Laboratorium voor Laser Energetica en de Universiteit van Alberta. Het experiment werd uitgevoerd in de Omega Laser Facility aan de Universiteit van Rochester.

Will Farmer van LLNL was de hoofdontwerper en eerste auteur van het artikel, en George Swadling was de leidende experimentator en co-auteur. Andere co-auteurs zijn onder meer Mordy Rosen, Candace Harris, Marilyn Schneider, Mark Sherlock en Steven Ross van LLNL, Wojciech Rozmus en Colin Bruulsema van de Universiteit van Alberta en Dana H. Edgell en Joe Katz van de Universiteit van Rochester.

"We waren niet in staat om het gemeten niet-geabsorbeerde laserlicht en de uitgestraalde röntgenstraal te evenaren, maar de plasmacondities waren ongevoelig voor de energiediscrepantie voor deze processen, Farmer zei over het werk. "Dit suggereert dat tekortkomingen in de modellering niet te wijten zijn aan warmtetransport, maar aan een ander stuk natuurkunde."

Dit onderzoek werd uitgevoerd in een poging om de oorzaak van de "drive-deficit, " een al lang bestaand probleem in ICF- en HED-modellering waarbij capsule-knaltijden altijd later lijken op te treden dan in simulaties en de hoeveelheid röntgenstraalflux in een hohlraum wordt overschat door simulatie.

Eerder, er was voorgesteld dat het gebruik van een restrictief warmtefluxmodel een deel van het aandrijftekort zou kunnen elimineren. De resultaten van de gouden bol ondersteunen deze benadering niet en suggereren dat het probleem ergens anders ligt. Het oplossen van het drive-deficit-probleem is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van een voorspellend model van ICF- en HED-experimenten.

Boer vergeleek de energiebalans in een hohlraum met het bakken van een cake in een oven. "Je hebt je taart in de oven gezet, "zei hij. "En je wilt weten wanneer je het eruit moet halen. Om het te kunnen weten, je moet begrijpen hoeveel energie je in de oven stopt, hoeveel energie wordt door de muren gereflecteerd en hoeveel energie gaat er verloren via geleiding uit de muren, zodat uw schatting van de oventemperatuur correct is."

Boer zei dat om welke reden dan ook, de oven is koeler dan we denken dat het zou moeten zijn en de cake lijkt altijd langer te duren om te koken dan we denken dat het zou moeten, en dit werk probeert erachter te komen waarom de oven "lekkender" is dan verwacht. "We hebben vastgesteld dat warmtetransport, althans voor direct aangedreven gouden bollen. Niemand wil een vloeibare cake, " hij legde uit.

Farmer zei dat het werk de kern vormt van de voorraadbeheermissie voor het Lab, omdat het probeert voorspellende tools te ontwikkelen die in de hele HED- en ICF-gemeenschappen kunnen worden toegepast. "Ik denk dat als we het aandrijftekort kunnen begrijpen, het zal ingrijpende gevolgen hebben voor veel verschillende actieve onderzoeksgebieden in het laboratorium, " hij zei.

Farmer zei dat aangezien het team heeft geconcludeerd dat het probleem niet het warmtetransport is, de volgende stap is om andere mogelijke fysieke mechanismen te onderzoeken. Eerst, ze willen onderzoeken of ze zowel de plasmacondities als de laserkoppeling kunnen matchen met behulp van de beste laserplasma-interactiecodes voor lage Z, berylliumbollen waar weinig energie wordt verdeeld in röntgenstralen. Vervolgens zal het team het geleerde meenemen en toepassen op gouden bollen om te zien of er een zelfconsistent verhaal is voor zowel laserkoppeling als warmtetransport, met elke verdere discrepantie die waarschijnlijk te wijten is aan tekortkomingen in de modellering van atoomfysische processen.

Tweede, het team heeft een voorstel gedaan om mid-Z-sferen te doen, waar straling een matige invloed heeft op de energiebalans. Daar, de onderzoekers kunnen testen of de discrepantie in de gesimuleerde energiebalans te wijten is aan de voorspellingen van de atoomfysica van röntgenopaciteiten en -emissiviteiten.

Farmer zei dat LLNL een sterke samenwerking heeft opgebouwd met Rozmus en zijn afgestudeerde student Bruulsema, die een belangrijke rol speelden bij het analyseren van de gegevens voor het werk. Uit dit project zijn tot nu toe twee publicaties voortgekomen en een derde wordt geschreven. Aanvullende publicaties worden verwacht naarmate het werk vordert.