To mikron fyldrør opfylder to behov

Lawrence Livermore National Laboratory's National Ignition Facility (NIF) og General Atomics-ingeniører har skabt en inertial confinement fusion (ICF) brændstofkapsel med et påfyldningsrør med to mikrometer-og undervejs, fundet en løsning på et "Bay Bridge" -lignende dilemma, der dramatisk kunne have bremset processen med at fremstille NIF-kapsler.

Sidste måned, NIF udførte den første test af et to-mikron rør, der blev brugt til at injicere brintbrændstof i en målkapsel. Det lille rør fungerede som designet og reducerede fodaftrykket for de fem- og 10-mikron rør, der viste sig at forårsage problemer i NIF-implosioner.

De slanke glasrør passer også ind i brændstofkapsler fremstillet med en anden teknik, kaldes trykcykling, som var nyt for denne applikation. Det reducerede produktionstiden fra et forventet seks måneder til cirka to dage.

Begge forbedringer er vigtige skridt i retning af at opnå NIF's lagermyndighed. ICF er et centralt aspekt for at sikre sikkerheden, sikkerhed og pålidelighed af landets atomvåben.

"Nu skal vi se, hvor meget bedre det bliver, når du gør fyldrøret endnu mindre, "sagde viceprogramleder Michael Stadermann." At gå fra 10 til fem (i tidligere forsøg) var en stor forbedring af ydeevnen. "

Påfyldningsrørene bruges til at injicere en deuterium og tritium (DT) brændstofblanding i en sfærisk skal af peberkornstørrelse suspenderet inde i et hohlraum. NIF's 192 højenergielaserstråler rammer hohlraumens indervægge, generering af røntgenstråler, der udløser en fusionsreaktion, når DT-blandingen komprimerer til et energiproducerende hot spot.

Forstyrrelser forringer ydeevnen

Men forskere har tidligere fastslået ved hjælp af skuddata og computersimuleringer, at 10-mikron fyldrør, mens kun omkring en sjettedel af gennemsnitsdiameteren af ​​menneskehår, var en faktor i forstyrrelser, der forringede NIF's implosionsevne, især i forsøg med diamantablatorskaller.

"Ideelt set når du laver et eksperiment på NIF, du vil have en fejlfri rund skal, der har brændstoffet indeni, "Stadermann sagde." Enhver form for afvigelse fra perfekt fører til forstyrrelser, hvilket igen kan reducere mængden af ​​fusion, vi kan få. "

Påfyldningsrøret, forklarede han, fører til en "lille gåde. Vi er nødt til at få brændstoffet inde i kapslen, men samtidig, når vi sætter et påfyldningsrør i, vi skaber en ufuldkommenhed. "

Reduktion af bredder fra 10 mikron til fem mikron hjalp. Tidligere i år, NIF opnåede et totalt fusionsneutronudbytte på 1,9 × 10 ¹⁶ (19 kvadrillion), det dobbelte af den tidligere rekord. Kompleksiteten ved at slanke fyldrørene, imidlertid, øgede produktionstiden for kapsler fra cirka en uge til cirka fire uger.

Diamond Materials GmbH i Tyskland fremstiller diamantskaller ved at belægge en siliciumkugledorn med kulstof med høj densitet. På General Atomics i San Diego, en blanding af salpetersyre og flussyre injiceres gennem et hul, der er boret til påfyldningsrøret. Syren ætser dornens materiale ud, til sidst forlader bare diamantskallen, som derefter fastgøres til påfyldningsrøret for at danne kapselfyldningsrørsamlinger.

Med bredere fyldhuller, den syreopløste dorn ville forlade ved diffusion gennem hullet inden for få dage. Overgangen til 5-mikron fyldrør, imidlertid, krævede mindre laserborede fyldhuller, hvilket øgede diffusionstiden.

Stadermann sammenlignede afmatningen med morgenpendlingen mellem San Francisco og Oakland Bay Bridge.

"Jo smallere du gør den åbning, jo sværere er det at få den opløste dorn ud, "sagde han." Det er som at have en otte-sporet motorvej, der går ind i San Francisco, og pludselig skærer du den ned til fire baner. Du prøver stadig at få det samme antal biler ind i byen hver dag, så du får et trafikprop, og det vil tage meget længere tid for alle at komme ind. "

Når jeg overvejede et slankere rør for cirka et år siden, LLNL og General Atomics ingeniører lavede en nedslående beregning:Baseret på den eksponentielle tidsforøgelse involveret i at gå fra 10 mikron til 5 mikron, at få kapslen til at rumme et to-mikrons rør kan tage op til seks måneder.

"Det var uudholdeligt, naturligvis, "Sagde Stadermann.

General Atomics -ingeniør Casey Kong kaldte opgaven "ganske skræmmende."

"Da tanken om to mikron fyldrør blev svævet rundt, vi spøgte med, at vi alle ville gå på pension, da en skal var færdig med at udvaskes, " han sagde.

Trykcykling

Uberørt, General Atomics -teamet - herunder Neal Rice og Wendi Sweet - pressede frem. Kong sagde, at tanken om trykcykling kom fra flere mennesker, herunder laboratorieforsker Tom Braun, der viste en video, der skildrer, hvordan tryk kunne drive væske ind og ud af en skal til en anden NIF-relateret applikation. LLNL -forskere Juergen Biener og Tom Bunn var med til at støtte General Atomics -teamets indsats.

Med trykcykling, skallen anbringes i et lille hætteglas inde i et trykbeholder. Trykket øges til så meget som fem atmosfærer, krymper gasboblen, der dannes inde fra ætsningsprocessen og suger frisk syre ind. Fartøjet tryksættes derefter, som udvider boblen og skubber det uønskede dornmateriale ud. Cyklussen gentages, indtil det resterende materiale er strømmet ud.

"Vi var i stand til at reducere denne ætsningsproces fra seks måneder til flere dage for hullet på to mikroner, samtidig forkorte tiden for 5-mikron borhuller til mindre end en dag fra cirka en måned, "Sagde Stadermann.

Teamet skulle også sikre, at de skrøbelige to-mikron rør kunne laves og samles med kapslen. Rørets to-mikron del er kun cirka en millimeter lang og forbinder til en længere del, der tilspidser sig ud over kapslen til cirka 40 mikrometer i diameter.

Men sælgeren, der lavede røret på 5 mikron, kunne ikke levere en tyndere version. Jay Crippen, ingeniørfaglig fremstillingsforbindelse for divisionen General Atomics Inertial Fusion Technologies, arbejdet sammen med andre leverandører for at kvalificere en ny kilde.

Holdet måtte også teste limen, der holder røret på plads, mens brændstof pumpes ind og kryogenisk frosses, sagde Crippen, som Stadermann roste som "forsamlingsguide".

To mål med to mikron fyldrør er blevet samlet på LLNL for at sikre, at de vil overleve processen. Mens teamet forfiner fremstillings- og håndteringsprocedurer, medlemmerne er overbeviste om, at processen kan blive rutine inden for det næste år.

"Vi vidste, at der ville være en indlæringskurve, "Sagde Crippen.