Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en het Laboratory for Laser Energetics (LLE) werken aan het verbeteren van polar direct drive (PDD) neutronenbronnen op de National Ignition Facility (NIF), 's werelds meest energieke laser.

PDD-neutronenbronnen zijn capsules gevuld met deuterium-tritium (DT) -gas bij omgevingstemperatuur en geschoten met robuuste laserpulsen die geen strikte laservermogencontrastcontrole of vermogensnauwkeurigheid vereisen. Deze bronnen zijn meer tijd- en middelenefficiënt om op NIF te velden dan conventionele bronnen met indirecte aandrijving die hoogwaardige cryogene lagen DT-ijs vereisen. In aanvulling, een lagere gegenereerde doelafvallading maakt het mogelijk om experimenten met neutronenstralingseffecten veel dichter bij het doel te positioneren, het creëren van een sterker neutronenstralingsveld voor testen.

Het team verbeterde de totale fusie-output en laser-naar-fusie-energieconversie-efficiëntie voor PDD aanzienlijk. Het team ontwikkelde ook een PDD exploderende duwer, of PDXP, platform dat het testen van stralingseffecten van herstelbare monsters mogelijk heeft gemaakt op recordniveaus van 14 MeV (Mega-elektron-volt) neutronenfluïdum.

"Meer dan anderhalf jaar na het eerste experimentele succes, dit ontwerp van PDD was de meest efficiënte manier om de input van laserenergie om te zetten in fusieoutput, " zei Charles Yeamans, teamleider en eerste auteur van een paper dat verschijnt in Kernfusie . Co-auteurs zijn onder meer Elia Kemp, Zach Walters, Heather Whitley en Brent Blue van LLNL, en Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma Garcia en Yujia Yang van LLE.

"Het schieten van echt grote lasers op dingen kan fusiereacties stimuleren, zoals wat er gebeurt in de zon en andere sterren en op aarde in de kern van een nucleaire ontploffing, Yeamans zei. "We willen bestuderen hoe de intense stralingsvelden die worden gegenereerd door fusie materialen beïnvloeden, elektronica en technische systemen zoals satellieten en vliegtuigen. Bij NIF zijn we in staat om onze testobjecten dicht bij die bron te controleren en te positioneren."

Aanvullend, vergelijkbare direct drive capsule-platforms hebben veel toepassingen op de NIF. Met verschillende gasvullingen kunnen ze worden gebruikt voor studies van kernreacties die van belang zijn voor astrofysica en als bron van protonen voor puntverlichting. Ze zijn ook gebruikt om korte pulsen van continuüm-röntgenstralen met hoge helderheid te produceren voor EXAFS-onderzoeken (Ex-ray Absorption Fine Structure) en voor opaciteitsmetingen. Aanvullend, ze zijn gebruikt om grote gecomprimeerde plasma's te maken voor studies van elektron-ion-energieoverdracht.

"Algemeen, een beter NIF-neutronenbronontwerp stelt ons in staat om in grotere aantallen betere stralingseffectentests uit te voeren dan wanneer we alleen zouden vertrouwen op de reguliere NIF-experimenten, " hij zei.

Yeamans zei dat het werk een waardevolle toevoeging is aan de algemene experimentele testcapaciteit voor stralingseffecten voor het Lab. "Het ontwikkelde ook het modellerings- en simulatievermogen om het ontwerp van de neutronenbron te begrijpen en te verbeteren, " zei hij. "Met dit werk, deze verantwoordelijkheid kunnen we nu en in de toekomst beter waarmaken.”

Teamsucces

Het werk werd uitgevoerd door een team van ontwerpers - wetenschappers die computercodes uitvoeren die ingewikkelde natuurkundige berekeningen uitvoeren - en experimentatoren - ingenieurs die 's werelds grootste laser begrijpen en bedienen, en die bepalen hoe je het beste in de praktijk kunt testen wat werkt in de simulatie.

Verschillende teamleden werken in beide rollen, en anderen specialiseren zich als ontwerper of experimentator op basis van wat het onderzoeksteam nodig heeft. Zestien dagen NIF-experimentele tijd verspreid over meer dan vijf jaar werden opgenomen in de bronontwikkelingsinspanning, met de drie best presterende ontwerpen, elk uitgevoerd tijdens een shotdag in 2019, geselecteerd voor gedetailleerde bespreking in de publicatie, zei Yeamans.

Heather Whitley, associate programme director voor High Energy Density Science bij LLNL, ontwikkelde samen met Craxton en Garcia van LLE en Warren Garbett van het Britse Atomic Weapons Establishment het oorspronkelijke ontwerp voor een polaire direct drive-capsule met grote diameter.

"Dit platform is belangrijk omdat het hoge neutroneninvloeden biedt en het mogelijk maakt om monsters dichtbij de bron te positioneren voor overlevingsexperimenten, " zei Whitley. "De polaire directe aandrijvingsconfiguratie verstrekt ook uitstekende diagnostische toegang voor andere plasmafysica-experimenten op hoge temperatuur."

Craxton van LLE hielp het werk van niet-gegradueerde studenten Garcia en Yang te leiden en zei dat de deelname van de studenten belangrijk was voor dit werk. Elke student was verantwoordelijk voor het berekenen van de geoptimaliseerde laserstraal om een ​​uniforme implosie van een specifieke capsulediameter te bereiken. Deze optimalisatie wordt gecompliceerd doordat de NIF-bundelingangshoeken worden geoptimaliseerd om een ​​cilindrisch hohlraum-doel aan te drijven. McKenty werkte nauw samen met Craxton en de rest van het team om de ideale laserpulsvorm te bepalen.

"We hebben gedurende vele jaren een hele reeks experimenten doorlopen, de eerste die neutronen produceerde om NIF-neutronendiagnostiek te testen terwijl NIF in bedrijf werd gesteld, "Zei Craxton. "Deze experimenten zijn geëvolueerd om te voldoen aan de behoeften van een breed scala aan toepassingen, met de grootste doelen die de hoge opbrengsten produceren die nodig zijn voor de effectenexperimenten."

Van cruciaal belang voor het succes van deze inspanning was de fabricage en ontwikkeling van de juiste testprotocollen om belangrijke gegevens te verkrijgen voor het voorschrijven van veilige velddrukken van deze grote (2-5 millimeter in diameter), dunwandige (ongeveer 10-30 micrometer) capsules, die vatbaarder zijn voor barsten. Dit werd gedaan door het doelvervaardigingsteam, voornamelijk bij General Atomics (GA) in San Diego, nauw samenwerken met het doelvervaardigingsteam van LLNL en het bovengenoemde natuurkundeteam. Claudia Shuldberg en haar team leidden het werk bij GA, terwijl Bill Saied en Kelly Youngblood de beoogde fabricage-engineering bij LLNL leidden.