Inertial indeslutning fusion implosioner har betydelige 3-D asymmetrier

Data, der korrelerer to faktorer, der fører til implosionsasymmetrier, har bragt forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et skridt tættere på at forstå kløften mellem simuleringer og udførelsen af ​​inerti indeslutning fusion (ICF) eksperimenter ved National Ignition Facility (NIF).

Disse eksperimenter har til formål at antænde en udbredt fusionsforbrændingsbølge i deuterium-tritiumbrændstof. For at opnå tænding, brændstoffet skal nå en selvopvarmningstilstand, hvor den producerede energi overstiger energitab ved ekspansion, termisk ledning og strålingskøling.

De bedst ydende ICF implosioner, med centrale hotspot-tryk på 360 Gbar (milliarder jordatmosfærer) og fusionsudbytter på 50 kilojoule, er begyndt at vise virkningerne af selvopvarmning af fusion. Men disse eksperimenter underpræsterer stadig 1- og 2-D-simuleringer, som forudsiger tryk over 500 Gbar og dynamik domineret af selvopvarmning.

Ved at analysere data fra flere års NIF ICF-eksperimenter med højt udbytte, forskere har fundet en sammenhæng mellem hastigheden af ​​hot-spot-implosionen og asymmetrien af ​​brændstofs areal-densitet (den kombinerede tykkelse og tæthed af den imploderende frosne fusionsbrændstofskal).

Resultaterne blev rapporteret i en Fysisk gennemgangsbreve papir af Laboratory for Laser Energetics fysiker Hans Rinderknecht (som udførte dette arbejde, mens han var Lawrence Fellow ved LLNL), LLNL-fysiker Dan Casey og LLNL-kolleger.

"Vi ved, at asymmetri er en væsentlig forringelse af implosionsydeevne, " Sagde Casey. "Vi fandt ud af, at 3-D asymmetri eksisterer og er korreleret mellem to nøglemålinger. Disse resultater lægger grundlaget for det efterfølgende arbejde med at spore asymmetriens kilder. "

Korrelationen var konsistent på tværs af en bred vifte af skud- og målkonfigurationer, inklusive billeder fra high-density carbon (HDC), "BigFoot" (høj-adiabat, eller nedsat kompression, HDC) og traditionelle CH (plastikkapsel) kampagner.

"Vi fandt ud af, at de fleste af de implosioner, der blev udført i de sidste tre år af ICF-programmet på NIF, havde en utilsigtet asymmetri, der 'skubbede' implosionen til side i stedet for at implodere den ensartet. Det betød, at noget af energien var spildt. "Sagde Rinderknecht.

Det slående sammenfald af størrelse og retning mellem hot-spot-hastigheden og asymmetrien af ​​brændstoffets areal-densitet på tværs af en lang række eksperimenter med varieret ablatorsammensætning, laser-power historie og andre faktorer tyder på en fælles, systematisk underliggende årsag. Implosionerne havde en tendens til at blive skubbet mod de diagnostiske vinduer i hohlraumen. Disse vinduer er dækket af tyndere guldlag, der gør det muligt for røntgenkameraer at se kapslen inde i hohlraumen.

To overlappende diagnostik

Forskerne anvendte deres analysemetode på 44 implosioner af kryogene deuterium-tritium islag udført på NIF mellem 2016 og 2018. Hot-spot bevægelsesretningen blev observeret i 17 ud af 18 HDC, 10 af 11 Bigfoot og seks ud af 15 CH-implosioner.

"Det er en klassisk historie om, hvordan to datasæt er bedre end et, "Sagde Rinderknecht.

NAD'er registrerer, hvor mange fusionsproducerede neutroner, der kommer ud af implosionen uden spredning. Denne diagnostik, derfor, kan bestemme densitetsvariationerne af brændstof i forskellige retninger.

Imidlertid, NAD'er kan også blive påvirket af Doppler-skiftet:hvis implosionen bevæger sig mod detektoren, neutronerne får et energiboost og signalet øges derfor på grund af det energiafhængige NAD aktiveringstværsnit. nTOF-spektrometrene måler også neutron-dopplerskiftet.

Diagnostik er den eneste måde at observere, hvad der rent faktisk sker i implosionerne, men de kan være fejlbehæftede eller misforståede. "Når du begynder at indsamle og fortolke data, det er let at komme ind i skænderier om, hvorvidt det, du ser, er ægte eller ej, især hvis resultatet er overraskende, " sagde Rinderknecht.

"Når jeg havde begge sæt data, Jeg begyndte at plotte dem sammen-hot-spot hastighed kontra tæthedsasymmetri-og det delte mønster dukkede lige ud, " sagde han. "De to understøttende datasæt fra to forskellige og uafhængigt kontrollerede diagnostik bekræftede hinanden på tværs af så mange skud med så forskellige tilstande, det blev tydeligt, at der foregik noget virkeligt og betydningsfuldt."

Bevæger sig fremad, LLNL-forskere udvikler detaljerede modeller til at vurdere vinduesstrålingstab mere kvantitativt, herunder virkningerne af vinduesarkitektur og ablationsdynamik.

"På grundlag af disse data er der iværksat et forskningsprogram for at finde og kontrollere oprindelsen af ​​drevasymmetrien, hvilket fortsat er et afgørende skridt for den igangværende indsats for at opnå tænding på NIF, "sagde forskerne i avisen.

Foreløbige resultater indikerer, at asymmetrierne i laserlevering er sammenlignelige med asymmetrierne i de diagnostiske vinduer. Kapseltykkelsesvariationer, Variationer i islagets tykkelse og laser-til-mål forskydning kan også være kilder til asymmetri.

"Arbejdet med at identificere og kontrollere kilden til denne asymmetri er i gang og vil være afgørende for yderligere at forbedre implosionsydeevnen og opnå tænding i indirekte drevet ICF, " sagde forskerne.

Casey og Rinderknecht blev forenet på avisen, "Azimuthal Drive Asymmetry in Inertial Confinement Fusion Implosions on the National Ignition Facility, " af LLNL-kolleger Robert Hatarik, Richard Bionta, Brian MacGowan, Prav Patel, Nino Landen, Ed Hartouni og Omar Hurricane.