Nuklear diagnostik hjælper med at bane vej for antændelse på NIF inertial indeslutningsfusion

På sit højeste, en NIF inertial indeslutningsfusion (ICF) implosion varer cirka 100 billioner sekunder af et sekund. Det imploderede brændstof er en hundrede milliontedele af en meter i diameter og hele otte gange tættere end bly. Midten af ​​den imploderede kapsel er et par gange varmere end solens kerne.

At udvikle en klar forståelse af præcis, hvad der sker i en NIF-implosion under disse ekstreme forhold, er en af ​​de største udfordringer, forskere står over for, når de arbejder på at opnå fusionstænding på verdens største og højeste energilasersystem.

For at hjælpe med at klare den udfordring, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og dets partnerlaboratorier og universiteter har designet og bygget en omfattende pakke med mere end et dusin nuklear diagnostik, med mere på vej.

"Det, du gerne vil have, når du diagnosticerer implosionen, er at vide alt om det imploderende plasma, "sagde LLNL -fysikeren Dave Schlossberg.

"Den nukleare diagnosesuite forsøger at tackle forskellige parametre, som du kan måle uafhængigt, "sagde han." Neutronbilleddannelsessystemet måler den rumlige fordeling af implosionen. Neutron time-of-flight diagnostik måler gennemsnitlig energi og driftshastighed. Og gammareaktionshistorik måler emission i forhold til tid. Ved at samle disse oplysninger, vi sammensætter et bedre billede af, hvad der foregår i implosionen. "

"Nogle af diagnoserne 'cross-talk' med hinanden, "tilføjede fysikeren Kelly Hahn." Nogle giver forskellige stykker (information), nogle har lignende stykker, og vi kan bringe dem alle sammen for at samle et mere omfattende billede. Hvis du vil opnå tænding, nuklear diagnostik er afgørende. "

Ledetråde til ydeevne

Blandt de vigtigste faktorer, der giver spor til implosionsydelse, er neutronudbyttet, ion (plasma) temperaturen og downscatter-forholdet-forholdet mellem antallet af neutroner med høj energi og neutroner med lavere energi, der er blevet spredt gennem interaktioner med hydrogenisotoper i brændstoffet, en angivelse af brændstoftæthed og fordeling af det kolde brændstof, der omgiver det varme sted.

Også vigtigt er knaldtid - tidspunktet for spidsneutronemission, der kendetegner implosionens hastighed - og forbrændingsbredde, den tid implosionen producerer neutroner.

Alle disse parametre, og andre, vurderes ved nuklear diagnostik.

"Den nukleare diagnostik er dybest set den eneste diagnostik, der virkelig måler brændstoftætheden og temperaturen, "sagde leder af Nuclear Diagnostics Group Alastair Moore." Og de er fuldstændig kritiske for at forstå, hvor godt vi samlede brændstoffet, og hvor tæt på tænding vi er. "

I NIF ICF -eksperimenter, op til 192 kraftfulde laserstråler opvarmer en cylindrisk røntgen "ovn" kaldet et hohlraum. Røntgenstrålerne komprimerer brintisotoperne, deuterium og tritium (DT), delvist frosset inde i en lille kapsel suspenderet i hohlraumet. Hvis tætheden og temperaturen er høj nok og varer længe nok, brændstoffet vil antænde og generere en selvbærende termonuklear reaktion, der spredes gennem brændstoffet og frigiver en stor mængde energi, primært i form af neutroner med høj energi.

Implosionsprocessen skaber temperaturer og tryk svarende til dem, der findes inde i stjerner, kæmpe planeter og atom -detonationer. NIF er en nøglekomponent i National Nuclear Security Administration's Stockpile Stewardship Program, og eksperimenter på NIF fremmer videnskabelig forskning i videnskab med høj energitæthed (HED), herunder astrofysik, materialevidenskab og ICF.

Ukendte ubekendte

En særlig værdi ved NIF's nukleare diagnostik er deres evne til at hjælpe med at besvare spørgsmål, som forskere ikke engang vidste, at de havde - hvad forskere kalder "ukendte ubekendte".

For nylig, for eksempel, arrayet med fire neutron-tid-til-fly-detektorer placeret omkring målkammeret afslørede, at det lille hot spot i midten af ​​implosionen drev med en hastighed på cirka 100 kilometer i sekundet-en indikation af implosionsasymmetri, en væsentlig årsag til forringet ydeevne.

"Vi havde oprindeligt to spektrometre, "sagde fysikeren Ed Hartouni, "og tilføjelse af et tredje spektrometer gav os evnen til at se bevægelse og måle hotspots driftshastighed, som slet ikke var forventet. Det tog faktisk lidt tid at blive accepteret, denne fortolkning af, hvad disse detektorer fortalte os.

"De afslørede noget, der foregik i implosionen, som vi ikke forventede, som ingen havde forventet, "sagde han." At hot spot'en ​​kunne bevæge sig - det var ganske overraskende. "

"Vi har faktisk et femte spektrometer på vej, "bemærkede Moore, "hvilket vil give os en endnu bedre evne til at forstå, om hot spot bevæger sig, fordi vi har drevet det asymmetrisk, eller fordi kapslen er asymmetrisk, eller hohlraumet er asymmetrisk. Alle disse fejltilstande, der kan føre til dårlig implosionsydelse, kan diagnosticeres direkte ved at have flere spektrometre til at kigge på den samme implosion. "

Og det er ikke alt. I et samarbejde ledet af Los Alamos National Laboratory (LANL) Neutron Imaging Team, forskere fra LANL, LLNL og Laboratory for Laser Energetics (LLE) ved University of Rochester tilføjede for nylig et tredje neutronbilleddannelsessystem, 3 NIS, designet til at give et 3D-billede, der viser størrelsen og formen af ​​det brændende DT-plasma under tændingstrinnet af en implosion.

Hot-spot-størrelsen og brændstofasymmetrien bestemmes ud fra billedet af den primære, eller høj energi, neutroner, og det kolde brændsels arealmassefylde, kendt som rho-R, udledes af downscatter -forholdet. Arealtæthed er en vigtig faktor i den endelige konfiguration af brændstoffet for at opnå tænding og fusionsforbrænding.

"Når NIF bevæger sig mod højere ydeevne, forståelse af disse implosioners tredimensionelle karakter bliver kritisk, "sagde LLNL -fysikeren David Fittinghoff." Med de to tidligere neutronafbildningssynslinjer (på ækvator og målpolens nordpol) måtte vi antage implosionens symmetri.

"Nu med den nye NIS3 har vi tre ortogonale sigtelinjer til at rekonstruere en mængde fusionerende plasma, "sagde han." En analogi kan være forskellen mellem at se et maleri af en mand og faktisk gå rundt i hans skulptur. "

Sammen med at forbedre neutronbilleddannelse, NIS3 giver også en sigtelinje til billeddannelse af gammastråler produceret ved uelastisk spredning af fusionsneutronerne fra kulstof i målkapselmaterialet, der er tilbage under en implosion. Dette kan hjælpe forskere med at bestemme mængden og effekten af ​​blandingen af ​​kapselmateriale med fusionsbrændstoffet, en kendt kilde til ydelsesforringelse.

Endnu en større diagnostisk opgradering blev afsluttet i 2017 med installation af en række 48 real-time neutronaktiveringsdetektorer, eller RT-NAD'er, på strategiske steder omkring målkammeret.

Tidligere NAD'er, kaldet flange NAD'er, virkede, når uspredte neutroner aktiverede en prøve af zirconium. De aktiverede prøver blev fjernet fra kammeret, og aktiveringsniveauet blev bestemt ved hjælp af atomtællingsteknikker andre steder på stedet. Aktivering af NAD-detektorer i realtid overvåges in situ, giver bedre prøveudtagning af vinkelfordelingen af ​​det uspredte neutronudbytte med meget hurtigere vending og til en betydeligt lavere driftsomkostninger.

Systemet giver bestemmelse af neutronfluensfordelingen nær realtid. Det opererer over to til tre størrelsesordener for neutronudbytte, giver overordnede udbytteestimater præcise til 2 procent eller bedre.

"Neutronudbyttet varierer rundt i kammeret, fordi du har forskellige tykkelser af brændstoffet i eksplosionens komprimerede kerne, "Forklarede Moore." RT-NAD'er er først og fremmest en måde at fortælle, hvordan brændstoffet fordeles rundt på det varme sted, når kapslen brager. "

"Den har dobbelt så mange detektorer og fem gange følsomheden" for flangens NAD -system, bemærkede diagnostisk fysiker Richard Bionta, ansvarlig videnskabsmand for RT-NADs-systemet. "I det gamle system, vi havde kun en detektor. Hver af de 20 pucke blev placeret i detektoren en ad gangen, så det tog fem dage at gennemgå. (RT-NAD'erne) er bestemt meget bedre end den måde, vi plejede at gøre det på. "

"Richard brugte mere end to år på at udvikle evnen til at styre den datastrøm, "tilføjede Moore." Du har 48 detektorer, der læser op hvert 10. minut og producerer terabyte data. Du prøver at analysere det og dele billedet sammen igen, hvad der skete med skuddet. "