Forskere sætter additivfremstillede skum på prøve

Forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) offentliggjorde for nylig resultaterne af en tre-ugers eksperimentel kampagne på laboratoriets Jupiter Laser Facility for at teste ydeevnen af ​​laseropvarmet additiv fremstillet skum.

Projektet er med til at understøtte to store laboratoriefokusområder, herunder at hjælpe med at fremme additiv fremstilling og ved at muliggøre forbedringer i ydelsen af ​​hohlraums-som er laseropvarmede hulrum, der producerer et røntgenstrålingsdrev, der imploderer en deuteriumfyldt kapsel.

Arbejdet understøtter også udviklingen af ​​det avancerede inden for videnskab med høj energitæthed. I særdeleshed, ved at muliggøre mere effektive hohlraums, det skulle hjælpe med at nå programmets mål for inertial indeslutningsfusion (ICF) om at opnå antændelse i laboratoriet.

Oggie Jones, hovedforfatter af værket, som var med i Plasmas fysik , sagde til holdets viden, at dette var første gang, der er blevet lavet eksperimenter på laseropvarmet struktureret additiv fremstillet skum.

De vigtigste resultater i forskningen viste, at laseropvarmede additivfremstillede skum opførte sig på mange måder på samme måde som kemiske (aerogel) skum med lignende densiteter. Mængden af ​​tilbagespredt laserlys for en given laserintensitet og udbredelseshastigheden af ​​en termisk bølge, selvom plasmaet var ens.

"Dette var sandt, selvom de additivfremstillede skum har filamentstrukturer af størrelsesorden 100 gange tykkere end kemiske skum med samme densitet, "Jones sagde. "De additiv fremstillede skum selv viste sig også at opføre sig ret uafhængigt af skalastørrelsen."

Holdet testede geometrisk lignende additivfremstillede skum, en med 0,5 mikron tykke filamenter og en med 10 mikron tykke filamenter. Tilbagesprednings- og røntgenbilledesignaturerne var næsten ikke til at skelne. Holdet fandt ud af, at offentliggjorte skumanalytiske modeller generelt var i stand til at forklare de målte termiske udbredelseshastigheder og temperaturer målt i eksperimenterne.

Jones forklarede, at brugen af ​​skummaterialer i hohlraums åbner for nye designmuligheder i indirekte drev i inerti indeslutningsfusion. I særdeleshed, skum kan placeres inde i hohlraumen for at beklæde væggene.

"Hvis tætheden af ​​skummet er nøje udvalgt, det er muligt at ændre, hvordan hohlraum-vægmaterialet udvider sig med tiden og dermed potentielt forbedre symmetrien af ​​strålingsdrevet på ICF-kapslen, " han sagde.

Ud over, skum med meget lav densitet dopet med forskellige elementer kan bruges til at skræddersy plasmabetingelserne inde i hohlraumet og potentielt afbøde laserplasmainteraktioner (laser backscatter). Additivfremstillede skum giver den fineste kontrol over plasmaforholdene. Tæthed og doteringsgradienter kan indbygges i skummet. Da disse skum er inde i hohlraumen, den måde, de opvarmes af laseren, er nøglen til at forstå deres overordnede indvirkning på hohlraum ydeevne.

Eksperimenterne brugte en enkelt 527-nanometer (grøn) laserstråle. Laserpulsen var 200 joule, omkring to nanosekunders varighed og resulterede i en maksimal laserintensitet på 3x1014 W/cm ² på skummålene. I løbet af en uges stråletid, holdet skød cirka 20 forskellige skummål.

Elijah Kemp fungerede som hovedeksperimentalist på dette projekt, og medforfatterne inkluderede Steve Langer, Benjamin Winjum, Dick Berger, James Oakdale, Mikhail Belyaev, Jürgen Biener, Monika Biener, Derek Mariscal, Jose Milovich, Michael Stadermann, Phil Sterne og Scott Wilks.

En anden artikel om denne forskning, fokuseret på numeriske simuleringer af disse eksperimenter, er også blevet accepteret til udgivelse af Plasma Physics og Controlled Fusion. Forfattere inkluderer Jose Milovich, Ogden Jones, Dick Berger, Elijah Kemp, James Oakdale, Jürgen Biener, Mike Belyaev, Derek Mariscal, Steve Langer, Phil Sterne, Scott Sepke og Michael Stadermann.

De nye skummål blev produceret på LLNL af en gruppe ledet af Stadermann, Juergen Biener og Oakdale.

Arbejdet blev finansieret af LLNL's Weapons and Complex Integration Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program med titlen "Foams in Hohlraums."

Denne forskning har ført til et opfølgende LDRD-projekt med titlen "Foam Fills for LPI Suppression." I dette projekt, forskere vil undersøge specifikke lavdensitetsskumfyldkonfigurationer, der fører til reduceret backscatter i ICF-hohlraums.

"Hvis det lykkes, denne forskning kunne gøre det muligt for hohlraums at operere ved fyldningstætheder, der ikke fungerede med simple heliumgasfyldninger, " sagde Jones. "Dette ville åbne et område med designrum, der tidligere var lukket på grund af overdreven laser backscatter."