Simuleringer undersøger materialers ydeevne i NIF-eksperimenter

Forskere har undersøgt ydeevnen af ​​rent bor, borcarbid, kulstof- og bornitrid-ablatorer med høj densitet – materialet, der omgiver et fusionsbrændstof og kobles til laser- eller hohlraum-strålingen i et eksperiment – ​​i den polære direkte drevne eksploderende pusher-platform (PDXP), som bruges på National Ignition Facility (NIF). Platformen bruger den polære direkte drevkonfiguration til at drive høje iontemperaturer i en rumtemperaturkapsel og har potentielle anvendelser til plasmafysikstudier og som neutronkilde.

De vigtigste resultater af arbejdet, med i Fysik med høj energitæthed , viser, at disse alternative ablatorer ikke forbedrer symmetrien af ​​PDXP-implosionen, ifølge hovedforfatteren Heather Whitley, associeret programdirektør for High Energy Density Science i Fundamental Weapon Physics-sektionen ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

"Mens vores simuleringer forudsiger, at platformen ikke er modtagelig for elektron-ion-koblingsmålinger på grund af mangel på implosionsymmetri, de alternative materialer muliggør bedre kobling mellem laseren og kapslen, " sagde hun. "Vi planlægger at teste de forudsagte virkninger på fremtidige neutronkildeeksperimenter."

LLNL's Neutron Source Working Group undersøger forbedringen af ​​koblingen, fordi den kan hjælpe med at forbedre udbyttet af de polære direkte drevne neutronkilder, og i sidste ende levere data om gyldigheden af ​​lasermodellering til direkte drevsimuleringer.

Gennem forløbet af dette arbejde, holdet hjalp også udviklere af inertial indeslutning fusionssimuleringskode med at implementere mere avancerede modeller for elektron-ion-kobling, og modellering af de direkte drivende implosioner har været tæt forbundet med denne kodeudvikling.

NIF giver adgang til data i ekstremt varme plasmaer, der hjælper med at validere og forbedre strålingshydrodynamisk modellering for en række laboratorie- og astrofysiske systemer. Et af NIFs hovedmål har været at skabe antændelse i et deuterium-tritium plasma i laboratoriet, men det har været en udfordring at designe eksperimenter for at nå dette mål. Designet af disse eksperimenter bygger i høj grad på computermodeller, der er baseret på en forståelse og antagelser om disse varme plasmaers opførsel.

Som postdoc ansat, Whitley arbejdede på Cimarron Project, et laboratoriestyret forsknings- og udviklingsprojekt, der havde til formål at bruge højtydende databehandling til at studere fysikken i antændelsesplasmaer.

"Målet med Cimarron var at udvikle nye modeller, der beskrev varme- og massetransport på mikroskopisk niveau for at hjælpe med at forbedre vores modellering af tændingseksperimenter, " sagde hun. "Efter arbejdet med computermodeller, vi ønskede at teste vores nye modeller med eksperimentelle data og udviklede PDXP-platformen som en måde at skabe et ikke-ligevægtsplasma på."

I disse forsøg, ioner opvarmes hurtigere end elektronerne via et meget stærkt lasergenereret stød. Holdet havde til hensigt at bruge tidsopløst spektroskopi, som er et mål for, hvor meget lys der udsendes fra plasmaet ved en bestemt frekvens, for at måle temperaturerne på både ionerne og elektronerne som funktion af tiden under forsøget. Dataene ville gøre det muligt for holdet at foretage en direkte sammenligning med de modeller, som Cimarron-projektet havde udviklet til noget, der kaldes "elektron-ion-kobling, " som er en parameter, der beskriver, hvordan ioner og elektroner udveksler energi i et plasma.

Eksperimenter tester, hvordan materialer klarer sig på NIF

"PDXP-platformen blev udviklet på NIF for at studere elektron-ion-ækvilibrering, men endte med at blive en ideel neutronkilde til flere andre kampagner, " sagde Marilyn Schneider, medforfatter til papiret og leder til de første eksperimenter på platformen.

"Den store fordel ved denne platform er, at den er enkel - sfærisk skal fyldt med brændstof - og tillader flere diagnoser fra alle (og alle) NIF-porte til at tage data og producerer højt neutronudbytte, Schneider sagde. "Denne forskning lavede en teoretisk undersøgelse af ydeevne (neutronudbytte) versus sammensætningen af ​​skallen og dens tykkelse."

LLNL-fysiker Charles Yeamans forbereder eksperimenter med nogle af de alternative ablatorer beskrevet i papiret. Han sagde, at værket beskriver en bestemt måde at bevæge sig gennem en meget kompliceret fysikberegning og derefter anvender den metode til at forudsige, hvordan forskellige kapselmaterialer kan præstere, når de bruges i et NIF-eksperiment.

Værket beskriver, hvordan data fra de tidligere eksperimenter med plastikkapsler, udført af LLNL fysiker Schneider og Maria Gatu Johnson fra Massachusetts Institute of Technology, blev brugt til at forstå, hvorfor visse anvendte metoder var mest effektive til at modellere systemet og forudsige observationerne. Næste trin i processen var at lave nye forudsigelser baseret på at anvende metoden på forskellige kapselmaterialer.

"Vi designer nye eksperimenter baseret på disse modeller, der forudsiger en særlig nyttig forbedring af ydeevnen, gerne højere udbytte, eller modellen, der forudsiger en stor ændring i en målt mængde, ligesom banen for den imploderende kapsel eller temperaturen af ​​den nukleare forbrænding, " forklarede han. "Så udfører vi NIF-eksperimenterne for at teste, om beregningen faktisk var vellykket til at forudsige ændringen i ydeevne."

Han sagde, at hans rolle var at forstå de tidligere NIF-skuddata, som de eksisterer, forstå implikationen af ​​modelforudsigelserne, syntetisere disse to kategorier af information til designet af den næste serie af eksperimenter, og gør disse eksperimenter klar til at gå.

Det oprindelige design fra 2016 brugte en plastikskal - eller ablator - der var fyldt med deuteriumgas med en spormængde af argon-dotering. Argon blev brugt i den spektroskopiske måling, og designet sikrede tilstrækkelig temperaturadskillelse mellem elektronerne og ionerne for at gøre målingerne levedygtige.

Billederne af implosionen fra 2016-2017-skuddene udført af Schneider og Gatu Johnson indikerede, at plastikskallen var meget skæv i implosionen. Laserstrålerne, der direkte ramte kapslen, prægede en meget kompliceret struktur på den imploderende skal. Efter disse skud, Whitley og teamet hævdede, at skift til et andet ablatormateriale kunne muliggøre en mere symmetrisk implosion, enten ved at muliggøre øget deuteriumtryk eller ved at forbedre, hvordan materialet interagerer med laseren.

NIF-eksperimenter samler store teams

Whitley sagde, at projektet står som et glimrende eksempel på, hvordan laboratoriet samarbejder med den akademiske verden for at anvende både beregningsressourcer og eksperimentelle platforme for at forbedre forståelsen og forudsigelige modelleringsmuligheder for antændelsesplasmaer.

Frank Graziani, leder af Cimarron Project og leder af LLNL Center for High Energy Density Science, sagde, at PDXP-platformen og ablatormaterialekampagnen er en international indsats, der involverer design, eksperiment og beregningsekspertise fra LLNL, Laboratorium for laserenergi, Atomvåben Etablissement, Massachusetts Institute of Technology og University of California, Berkeley.

"Vi fortsætter med at være interesserede i validering af plasmafysikmodeller såsom elektron-ion-kobling i fysikregimet med høj energitæthed, " sagde han. "PDXP-platformen var et væsentligt skridt fremad i at give os mulighed for at skabe de nødvendige forhold og diagnosticere dem. Platformen har også vist sig at være en værdifuld neutronkilde til eksperimenter."