Teamet forbedrer polar fusion neutron kilder til direkte drev til brug i laser eksperimenter

Forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og Laboratory for Laser Energetics (LLE) arbejder på at forbedre polar Direct Drive (PDD) neutronkilder på National Ignition Facility (NIF), verdens mest energiske laser.

PDD neutronkilder er kapsler fyldt med deuterium-tritium (DT) gas ved omgivelsestemperatur og skudt med robuste laserimpulser, der ikke kræver stringent lasereffektkontrastkontrol eller effektnøjagtighed. Disse kilder er mere tids- og ressourceeffektive at anvende på NIF end konventionelle indirekte drivkilder, der kræver højkvalitets kryogene lag af DT-is. Ud over, en lavere genereret målresterbelastning tillader eksperimenter med neutronstrålingseffekter at placere meget tættere på målet, skabe et stærkere neutronstrålingsfelt til test.

Holdet forbedrede væsentligt det samlede fusionsoutput og laser-til-fusion energikonverteringseffektivitet for PDD. Teamet udviklede også en PDD -eksploderende skubber, eller PDXP, platform, der har muliggjort test af strålingseffekter af genanvendelige prøver ved rekordhøje 14 MeV (Mega elektron-volt) neutronfluensniveauer.

"I over halvandet år efter den første eksperimentelle succes, dette design af PDD var den mest effektive måde, der eksisterede til at konvertere laserenergiinput til fusionsoutput, " sagde Charles Yeamans, teamleder og første forfatter til et papir, der vises i Kernefusion . Medforfattere omfatter Elijah Kemp, Zach Walters, Heather Whitley og Brent Blue fra LLNL, og Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma Garcia og Yujia Yang fra LLE.

"At skyde virkelig store lasere mod ting kan stimulere fusionsreaktioner som det, der sker i solen og andre stjerner og terrestrisk i kernen af ​​en nuklear detonation, " sagde Yeamans. "Vi ønsker at studere, hvordan de intense strålingsfelter, der genereres fra fusion, påvirker materialer, elektronik og konstruerede systemer som satellitter og fly. Hos NIF er vi i stand til at kontrollere og placere vores testobjekter tæt på den kilde. "

Derudover lignende direkte drev-kapselplatforme har mange applikationer på NIF. Med forskellige gasfyldninger kan de bruges til undersøgelser af nukleare reaktioner af interesse for astrofysik og som en kilde til protoner til punktbelysning. De er også blevet brugt til at producere korte pulser af kontinuerlige røntgenstråler med høj lysstyrke til undersøgelser af udvidet røntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS) og til opacitetsmålinger. Derudover de er blevet brugt til at lave store komprimerede plasmaer til undersøgelser af elektron-ion energioverførsel.

"Samlet set, et bedre NIF-neutronkildedesign giver os mulighed for at udføre bedre strålingseffekttests i større antal, end hvis vi udelukkende skulle stole på de almindelige NIF-eksperimenter, " han sagde.

Yeamans sagde, at arbejdet udviklede en værdifuld tilføjelse til laboratoriets samlede eksperimentelle testkapacitet for strålingseffekter. "Det udviklede også modellerings- og simuleringsevnen til at forstå og forbedre neutronkildedesignet, "sagde han." Med dette arbejde, vi er bedre i stand til at opfylde dette ansvar nu og i fremtiden. "

Team succes

Arbejdet blev udført af et team af designere - forskere, der kører computerkoder, der udfører komplicerede fysikberegninger - og eksperimentelle - ingeniører, der forstår og driver verdens største laser, og hvem bestemmer den bedste måde at teste i praksis, hvad der virker i simuleringen.

Flere af teammedlemmerne arbejder i begge roller, og andre specialiserer sig som enten designer eller eksperimentalist baseret på, hvad forskerholdet har brug for. Seksten dage med NIF-eksperimentel tid fordelt over mere end fem år blev inkluderet i kildeudviklingsindsatsen, med de tre bedst ydende designs, hver gennemført under en skuddag i 2019, valgt til detaljeret diskussion i publikationen, sagde Yeamans.

Heather Whitley, associeret programdirektør for High Energy Density Science ved LLNL, udviklet det oprindelige design til en polær direktedrevet kapsel med stor diameter med Craxton og Garcia fra LLE og Warren Garbett fra U.K. Atomic Weapons Establishment.

"Denne platform er vigtig, fordi den giver høj neutronfluens og muliggør tæt placering af prøver nær kilden til overlevelseseksperimenter, " sagde Whitley. "Den polære direkte drevkonfiguration giver også fremragende diagnostisk adgang til andre højtemperaturplasmafysikeksperimenter."

Craxton fra LLE hjalp med at lede de bachelorstuderende Garcia og Yangs arbejde og sagde, at de studerendes deltagelse har været vigtig for dette arbejde. Hver elev var ansvarlig for at beregne den optimerede laserstråle, der pegede for at opnå ensartet implosion af en specifik kapseldiameter. Denne optimering kompliceres af, at NIF -stråleindgangsvinklerne er optimeret til at drive et cylindrisk hohlraum -mål. McKenty arbejdede tæt sammen med Craxton og resten af ​​holdet for at bestemme den ideelle laserpulsform.

"Vi gennemgik en hel række eksperimenter gennem mange år, først til at producere neutroner for at teste NIF neutrondiagnostik, mens NIF blev idriftsat, " sagde Craxton. "Disse eksperimenter udviklede sig til at imødekomme behovene for en bred vifte af applikationer, med de største mål, der producerer de høje udbytter, der kræves til effektforsøgene."

Afgørende for succesen med denne indsats var fremstillingen og udviklingen af ​​de korrekte testprotokoller for at opnå nøgledata til at foreskrive sikre felttryk af disse store (2-5 millimeter i diameter), tyndvæggede (ca. 10-30 mikrometer) kapsler, som er mere modtagelige for sprængning. Dette blev udført af målfremstillingsteamet hovedsageligt ved General Atomics (GA) i San Diego, arbejder tæt sammen med LLNLs målfabrikationsteam samt ovennævnte fysikteam. Claudia Shuldberg og hendes team ledede arbejdet på GA, mens Bill Saied og Kelly Youngblood ledede målfabrikationsingeniørindsatsen på LLNL.