Når laserstråler møder plasma:Nye data adresserer hul i fusionsforskning

Ny forskning fra University of Rochester vil forbedre nøjagtigheden af ​​computermodeller, der bruges i simuleringer af laserdrevne implosioner. Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik , adresserer en af ​​udfordringerne i forskernes mangeårige søgen efter at opnå fusion.

I laserdrevne inertialindeslutningsfusion (ICF) eksperimenter, f.eks. eksperimenterne udført ved University of Rochester's Laboratory for Laser Energetics (LLE), korte stråler bestående af intense lyspulser - pulser, der blot varer milliarder af sekunder - leverer energi til varme og komprimerer et mål for brintbrændstofceller. Ideelt set, denne proces ville frigive mere energi, end der blev brugt til at opvarme systemet.

Laserdrevne ICF-eksperimenter kræver, at mange laserstråler formerer sig gennem et plasma-en varm suppe af elektroner og ioner i fri bevægelse for at deponere deres strålingsenergi præcist på deres tilsigtede mål. Men, som bjælkerne gør det, de interagerer med plasmaet på måder, der kan komplicere det tilsigtede resultat.

"ICF genererer nødvendigvis miljøer, hvor mange laserstråler overlapper hinanden i et varmt plasma, der omgiver målet, og det har været anerkendt i mange år, at laserstrålerne kan interagere og udveksle energi, "siger David Turnbull, en LLE -videnskabsmand og den første forfatter af papiret.

For nøjagtigt at modellere denne interaktion, forskere skal vide nøjagtigt, hvordan energien fra laserstrålen interagerer med plasmaet. Mens forskere har tilbudt teorier om måderne, hvorpå laserstråler ændrer et plasma, ingen er nogensinde blevet demonstreret eksperimentelt.

Nu, forskere ved LLE, sammen med deres kolleger på Lawrence Livermore National Laboratory i Californien og Center National de la Recherche Scientifique i Frankrig, har demonstreret direkte for første gang, hvordan laserstråler ændrer betingelserne for det underliggende plasma, igen påvirker overførslen af ​​energi i fusionsforsøg.

"Resultaterne er en stor demonstration af innovationen på laboratoriet og vigtigheden af ​​at opbygge en solid forståelse af laser-plasma ustabilitet for det nationale fusionsprogram, "siger Michael Campbell, direktøren for LLE.

BRUG AF SUPERCOMPUTERE TIL MODELFUSION

Forskere bruger ofte supercomputere til at studere implosionerne i fusionsforsøg. Det er vigtigt, derfor, at disse computermodeller præcist skildrer de involverede fysiske processer, herunder udveksling af energi fra laserstrålerne til plasmaet og til sidst til målet.

I det sidste årti har forskere har brugt computermodeller, der beskriver den gensidige laserstråleinteraktion involveret i laserdrevne fusionsforsøg. Imidlertid, modellerne har generelt antaget, at energien fra laserstrålerne interagerer i en type ligevægt kendt som Maxwellian distribution - en ligevægt, man ville forvente i børsen, når der ikke er lasere til stede.

"Men, selvfølgelig, lasere er til stede, "siger Dustin Froula, en seniorforsker ved LLE.

Froula bemærker, at forskere for næsten 40 år siden forudsagde, at lasere ændrer de underliggende plasmaforhold på vigtige måder. I 1980, der blev præsenteret en teori, der forudsagde disse ikke-Maxwellske fordelingsfunktioner i laserplasma på grund af præferenceopvarmning af langsomme elektroner af laserstrålerne. I de efterfølgende år, Rochester-kandidat Bedros Afeyan '89 (Ph.D.) forudsagde, at effekten af ​​disse ikke-Maxwellske elektronfordelingsfunktioner ville ændre, hvordan laser energi overføres mellem stråler.

Men mangler eksperimentelt bevis for at verificere denne forudsigelse, forskere tog ikke højde for det i deres simuleringer.

Turnbull, Froula, og fysik og astronomi kandidatstuderende Avram Milder gennemførte eksperimenter på Omega Laser Facility på LLE for at foretage meget detaljerede målinger af de laseropvarmede plasmaer. Resultaterne af disse eksperimenter viser for første gang, at fordelingen af ​​elektronenergier i et plasma påvirkes af deres interaktion med laserstrålingen og ikke længere kan beskrives nøjagtigt ved fremherskende modeller.

Den nye forskning validerer ikke kun en mangeårig teori, men det viser også, at laser-plasma-interaktion stærkt modificerer energioverførsel.

"Nye inline -modeller, der bedre redegør for de underliggende plasmaforhold, er i øjeblikket under udvikling, hvilket bør forbedre den forudsigelige evne til integrerede implosionsimuleringer, "Siger Turnbull.