Wetenschappers hebben de prestaties van puur boor onderzocht, boorcarbide, koolstof- en boornitride-ablatatoren met hoge dichtheid - het materiaal dat een fusiebrandstof omringt en koppelt aan de laser- of hohlraum-straling in een experiment - in het polaire direct drive exploderende pusher (PDXP) -platform, die wordt gebruikt bij de National Ignition Facility (NIF). Het platform maakt gebruik van de polaire direct drive-configuratie om hoge ionentemperaturen in een capsule bij kamertemperatuur aan te sturen en heeft mogelijke toepassingen voor plasmafysica-onderzoeken en als neutronenbron.

De belangrijkste bevindingen van het werk, te zien in Fysica met hoge energiedichtheid , laten zien dat deze alternatieve ablatoren de symmetrie van de PDXP-implosie niet verbeteren, volgens hoofdauteur Heather Whitley, associate programme director for High Energy Density Science in de sectie Fundamental Weapon Physics van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

"Hoewel onze simulaties voorspellen dat het platform niet vatbaar is voor de elektron-ion-koppelingsmetingen vanwege een gebrek aan implosiesymmetrie, de alternatieve materialen zorgen voor een betere koppeling tussen de laser en de capsule, " zei ze. "We zijn van plan om die voorspelde effecten op toekomstige experimenten met neutronenbronnen te testen."

De werkgroep Neutronenbronnen van LLNL onderzoekt de verbetering van de koppeling omdat dit zou kunnen helpen de opbrengst van de polaire neutronenbronnen met directe aandrijving te verbeteren. en uiteindelijk gegevens verstrekken over de validiteit van lasermodellering voor direct drive-simulaties.

Door de loop van dit werk, het team hielp ook ontwikkelaars van inertiële opsluiting fusiesimulatiecodes bij het implementeren van meer geavanceerde modellen voor elektron-ion-koppeling, en het modelleren van de direct drive-implosies is nauw verbonden geweest met die code-ontwikkeling.

NIF biedt toegang tot gegevens in extreem hete plasma's die helpen bij het valideren en verbeteren van stralings-hydrodynamische modellering voor een verscheidenheid aan laboratorium- en astrofysische systemen. Een van de belangrijkste doelen van NIF was het creëren van ontsteking in een deuterium-tritiumplasma in het laboratorium, maar het succesvol ontwerpen van experimenten om dat doel te bereiken was een uitdaging. Het ontwerp van deze experimenten is sterk afhankelijk van computermodellen die gebaseerd zijn op begrip en aannames over het gedrag van deze hete plasma's.

Als postdoctoraal aangestelde, Whitley werkte aan het Cimarron-project, een laboratoriumgericht onderzoeks- en ontwikkelingsproject dat gericht was op het gebruik van high-performance computing om de fysica van ontstekingsplasma's te bestuderen.

"Het doel van Cimarron was om nieuwe modellen te ontwikkelen die warmte- en massatransport op microscopisch niveau beschreven om onze modellering van ontstekingsexperimenten te helpen verbeteren, "zei ze. "Na het werk aan computermodellen, we wilden onze nieuwe modellen testen met experimentele gegevens en ontwikkelden het PDXP-platform als een manier om een ​​niet-evenwichtsplasma te creëren."

Bij deze experimenten ionen worden sneller verwarmd dan de elektronen via een zeer sterke laser-gegenereerde schok. Het team was van plan om tijdsopgeloste spectroscopie te gebruiken, wat een maat is voor hoeveel licht er op een bepaalde frequentie door het plasma wordt uitgestraald, om de temperaturen van zowel de ionen als de elektronen als functie van de tijd tijdens het experiment te meten. De gegevens zouden het team in staat stellen een directe vergelijking te maken met de modellen die het Cimarron-project had ontwikkeld voor iets dat "elektron-ionenkoppeling, " wat een parameter is die beschrijft hoe ionen en elektronen energie uitwisselen in een plasma.

Experimenten testen hoe materialen presteren bij NIF

"Het PDXP-platform is bij het NIF ontwikkeld om elektron-ion-equilibratie te bestuderen, maar bleek uiteindelijk een ideale neutronenbron voor verschillende andere campagnes, " zei Marilyn Schneider, co-auteur van het papier en leiden voor de eerste experimenten op het platform.

"Het grote voordeel van dit platform is dat het eenvoudig is - een bolvormige schaal gevuld met brandstof - en meerdere diagnostiek van alle (en alle) NIF-poorten mogelijk maakt om gegevens te verzamelen en een hoge neutronenopbrengst te produceren, " Zei Schneider. "Dit onderzoek deed een theoretische studie van de prestaties (neutronenopbrengst) versus de samenstelling van de schaal en de dikte ervan."

LLNL-natuurkundige Charles Yeamans bereidt experimenten voor met behulp van enkele van de alternatieve ablators die in het artikel worden beschreven. Hij zei dat het werk een bepaalde manier beschrijft om door een zeer gecompliceerde natuurkundige berekening te gaan en die methodologie vervolgens toepast om te voorspellen hoe verschillende capsulematerialen zouden kunnen presteren bij gebruik in een NIF-experiment.

Het werk beschrijft hoe gegevens uit de eerdere experimenten op plastic capsules, uitgevoerd door LLNL-fysicus Schneider en Maria Gatu Johnson van het Massachusetts Institute of Technology, werden gebruikt om te begrijpen waarom bepaalde gebruikte methoden het meest effectief waren in het modelleren van het systeem en het voorspellen van de waarnemingen. De volgende stap in het proces was om nieuwe voorspellingen te doen op basis van het toepassen van de methodologie op verschillende capsulematerialen.

"We ontwerpen nieuwe experimenten op basis van deze modellen die een bijzonder nuttige prestatieverbetering voorspellen, zoals een hogere opbrengst, of het model dat een grote verandering in een gemeten hoeveelheid voorspelt, zoals het traject van de imploderende capsule of de temperatuur van de nucleaire verbranding, " legde hij uit. "Vervolgens voeren we de NIF-experimenten uit om te testen of de berekening inderdaad succesvol was in het voorspellen van de verandering in prestaties."

Hij zei dat het zijn rol was om de eerdere NIF-opnamegegevens te begrijpen zoals die bestaan, de implicaties van de modelvoorspellingen begrijpen, synthetiseren die twee categorieën informatie voor het ontwerp van de volgende reeks experimenten, en maak die experimenten klaar voor gebruik.

Het oorspronkelijke ontwerp uit 2016 gebruikte een plastic omhulsel - of ablator - dat was gevuld met deuteriumgas met een sporenhoeveelheid argondotering. Het argon werd gebruikt bij de spectroscopische meting, en het ontwerp zorgde voor voldoende temperatuurscheiding tussen de elektronen en ionen om de metingen levensvatbaar te maken.

De beelden van de implosie van de opnamen van 2016-2017 uitgevoerd door Schneider en Gatu Johnson gaven aan dat de plastic schaal tijdens de implosie erg kromgetrokken was. De laserstralen die de capsule direct raakten, drukten een zeer gecompliceerde structuur op de imploderende schaal. Naar aanleiding van deze opnamen, Whitley en team stelden dat het overschakelen naar een ander ablatormateriaal een meer symmetrische implosie mogelijk zou maken, ofwel door verhoogde deuteriumdruk mogelijk te maken of door de interactie van het materiaal met de laser te verbeteren.

NIF-experimenten brengen grote teams samen

Whitley zei dat het project een uitstekend voorbeeld is van hoe het Lab samenwerkt met de academische wereld om zowel computationele middelen als experimentele platforms toe te passen om het begrip en de voorspellende modelleringscapaciteiten voor ontstekingsplasma's te verbeteren.

Frank Graziani, manager van het Cimarron Project en hoofd van het LLNL Centre for High Energy Density Science, zei dat het PDXP-platform en de campagne voor ablatormaterialen een internationale inspanning zijn met betrekking tot design, experiment en computationele expertise van LLNL, Laboratorium voor Laser Energetica, Atoomwapens vestiging, Massachusetts Institute of Technology en de Universiteit van Californië, Berkeley.

"We blijven geïnteresseerd in de validatie van plasmafysica-modellen zoals elektron-ionkoppeling in het fysica-regime met hoge energiedichtheid, " zei hij. "Het PDXP-platform was een belangrijke stap voorwaarts om ons in staat te stellen de vereiste voorwaarden te creëren en ze te diagnosticeren. Het platform is ook een waardevolle neutronenbron gebleken voor experimenten."