Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en het Laboratory for Laser Energetics (LLE) hebben een eenvoudig 3D-model beschreven in hohlraums en capsules voor inertiële opsluitingsfusie (ICF)-implosies. Het model zal helpen bij het leveren van de vereiste implosiesymmetrie op gelaagde deuterium-tritium (DT) implosies voor ontsteking.

De resultaten van het werk nemen veel van het mysterie weg dat verband houdt met de variabiliteit in de waargenomen richting en grootte van de hotspotsnelheid van gelaagde DT-implosies als onderdeel van de ontstekingsexperimenten.

Brian MacGowan, LLNL-wetenschapper en hoofdauteur van het artikel in Fysica met hoge energiedichtheid, zei dat de resultaten een belangrijke bron voor 3D-asymmetrie in ICF-implosies onthullen en het raamwerk vormen waardoor alle bekende hoofdoorzaken die zijn ontdekt, zijn ontdekt.

"Het papier kwantificeert de gevoeligheid van de gemeten snelheid van de gecomprimeerde hotspot in cryogeen gelaagde DT-implosies, naar mode-1 asymmetrie van de röntgenflux bij de capsule, binnen indirecte aandrijving hohlraums, dat zijn met laser verwarmde holtes die een röntgenstralingsaandrijving produceren die een met deuterium gevulde capsule implodeert, " hij zei.

Een mode-1-asymmetrie van 1 procent houdt in dat de extreem symmetrische ablatie van het capsuleoppervlak door de röntgenstralen effectief 1 procent harder in een bepaalde richting duwt in plaats van sferisch symmetrisch te zijn. Dat verschil is voldoende om ervoor te zorgen dat de hotspot een restsnelheid heeft tot 100 km/s als de imploderende granaat stagneert.

Het artikel stelt ook een methode vast om variatie in de mode-1-asymmetrie van de flux bij de capsule te begrijpen als gevolg van variaties in de gemeten laserprestaties, bekende doelconstructie en verwachte variabiliteit van straal en doeluitlijning.

"We kunnen asymmetrie in laserafgifte en doelconstructie relateren aan de asymmetrie van de röntgenstraalstroom bij de capsule die is geïmplodeerd om de voorwaarden te creëren voor het optreden van kernfusie, " zei hij. "Voorafgaand aan deze analyse werd de variabiliteit van asymmetrie in de gecomprimeerde hotspot als idiopathisch beschouwd, zoals het ontbreken van uitleg. Nu is het iets dat kan worden begrepen en mogelijk kan worden gecontroleerd."

3D hohlraum-modellen van asymmetrieën bij implosies begrijpen

MacGowan zegt dat het belangrijk is om de bronnen van 3D-asymmetrie in hohlraums en capsules voor ICF-implosies te begrijpen om de vereiste implosiesymmetrie te leveren op gelaagde DT-implosies voor ontsteking.

Slechte symmetrie als de schaal convergeert leidt tot verminderde druk en verminderde opsluiting in de hotspot en dus verminderde neutronenopbrengst. De belangrijkste diagnose van mode-1-symmetrie bij de implosie van een DT-laag is de snelheid van de neutronen die door de hotspot worden uitgezonden. Het is aangetoond dat deze snelheid variabel is in grootte en richting en is een indicator van bulkbeweging van de hotspot in een bepaalde richting vanwege een asymmetrische implosie.

"Door bronnen te begrijpen, kunnen ook geschikte specificaties worden ingesteld om ze te repareren of ontwerpbeperkingen te implementeren voorafgaand aan het experiment, zoals vensters met minder verlies, " hij zei.

Inzicht in asymmetrie in een bepaalde doelconstructie voorafgaand aan het experiment, inclusief schaaldikte niet rond op +/- 0,5 micron niveau, maakt ook de implementatie mogelijk van aanpassingen aan de laserafgifte op het niveau van een paar procent dat lasergeproduceerde modus-1 gebruikt om de asymmetrie van de capsuledikte op te heffen. Omdat de laseraanpassing een systematische verandering is naar 192 stralen, de netto opgelegde mode-1 asymmetrie van de laser kan zeer nauwkeurig zijn en dienovereenkomstig worden gericht, zelfs wanneer de gebruikelijke variabiliteit van het door de National Ignition Facility (NIF) geleverde vermogen wordt toegevoegd.

Dit concept werd gedemonstreerd tijdens een recent experiment bij NIF dat een bijna record neutronenopbrengst opleverde. De laser werd aangepast om een ​​verwachte mode-1-asymmetrie van +/- 1,2 procent van de totale invallende röntgenstraalstroom in de juiste richting te produceren om te compenseren voor een grote asymmetrie in de capsuledikte.

Experimenten analyseren sinds 2016

Het werk werd gedaan door analyse van bronnen van mode-1-asymmetrie van laserprestaties en doelconstructie, samen met metingen van de snelheid en richting van hotspots van 50 DT gelaagde implosie-experimenten die sinds 2016 zijn uitgevoerd. De hotspotsnelheid werd gemeten door de energiespectra van uitgezonden neutronen in vier verschillende kijkhoeken en vervolgens de gemiddelde snelheid van de hotspot afleiden. Lees hier meer over Neutron Time of Flight (nToF) metingen.

Het werk was een proces van speurwerk om de bronnen en gevoeligheden te identificeren op basis van beschikbare gegevens. Er waren maar heel weinig opnamen waarbij een grote wijziging werd aangebracht in een van de bronnen van modus-1 die het effect van één parameter zou isoleren, omdat de bronnen meestal dicht bij de specificatie voor die specifieke bron lagen.

Model komt ten goede aan toekomstig werk

MacGowan legt uit dat de ontwikkeling en validatie van het model van mode-1-asymmetrie LLNL ten goede komt door de verklaring van variabiliteit in de waargenomen hotspotsnelheid en gecomprimeerde brandstofdichtheidsasymmetrie in termen van bronnen van mode-1 in de laser en het doel die kunnen worden afgeleid uit diagnostische metingen.

"Uiteindelijk, dit werk helpt ons een principedegradatie van de doelprestaties te begrijpen en een bron van shot-to-shot prestatievariabiliteit, " zei hij. "Het werk creëert een valuta voor het inruilen van specificaties voor precisie in laserprestaties en uitlijning, doelconstructie en uitlijning en stabiliteit van de faciliteit."

Het model kan worden gebruikt in gevoeligheidsstudies en Monte Carlo-berekeningen en maakt het gemakkelijk om onzekerheden voor verschillende bronnen te verspreiden. Bijvoorbeeld, de impact van een gecorreleerde drift in de uitlijning van de NIF-stralen als gevolg van thermische effecten in de NIF-laserbanen kan worden vergeleken met de impact van fabricagefouten of instabiliteit in het NIF-pulsgeneratiesysteem. Ze worden allemaal vergeleken door hun impact op mode-1-asymmetrie bij de capsule en uiteindelijk gerelateerd aan de hotspotsnelheid die ze genereren.

Door de laser en windows geïnduceerde modus-1 te kwantificeren en ze af te trekken van de waargenomen hotspotsnelheid, het is mogelijk om het effect van een nieuwe bron zoals capsulediktemodus-1 te isoleren. Dit werk heeft de kwantificering van het effect van capsulediktemodus-1 mogelijk gemaakt, beschreven in een artikel waarnaar hier wordt verwezen.