Lawrence Livermore National Laboratory National Ignition Facility (NIF) och General Atomics-ingenjörer har skapat en bränslekapsel med tröghetsfusion (ICF) med ett påfyllningsrör med två mikrometer-och längs vägen, hittade en lösning på ett "Bay Bridge" -liknande dilemma som dramatiskt kunde ha bromsat processen att tillverka NIF-kapslar.

Förra månaden, NIF genomförde det första testet av ett två-mikronrör som användes för att injicera vätebränsle i en målkapsel. Det lilla röret fungerade som designat och minskade fotavtrycket för de fem- och 10-mikronrören som visade sig orsaka problem vid NIF-implosioner.

De smala glasrören passar också in i bränslekapslar gjorda med en annan teknik, kallas tryckcykling, som var nytt för den här applikationen. Det minskade tillverkningstiden från ett beräknat sex månader till cirka två dagar.

Båda förbättringarna är viktiga steg för att uppnå NIF:s lagringsförvaltningsuppdrag. ICF är en viktig aspekt för att säkerställa säkerheten, säkerhet och tillförlitlighet för landets kärnvapen.

"Nu ska vi se hur mycket bättre det blir när du gör fyllröret ännu mindre, "sade biträdande programchef Michael Stadermann." Att gå från 10 till fem (i tidigare experiment) var en stor förbättring av prestanda. "

Påfyllningsrören används för att injicera en deuterium och tritium (DT) bränsleblandning i ett sfäriskt skal av pepparkorn som hänger inuti ett hohlraum. NIF:s 192 högenergilaserstrålar träffar hohlraumens innerväggar, generera röntgenstrålar som utlöser en fusionsreaktion när DT-blandningen komprimeras till en energigenererande het plats.

Störningar försämrar prestanda

Men forskare bestämde tidigare genom skottdata och datasimuleringar att 10-mikron fylla rör, medan bara ungefär en sjättedel av medeldiametern på människohår, var en faktor i störningar som försämrade NIF:s implosionsprestanda, särskilt i experiment med diamantablatorskal.

"Helst när du gör ett experiment på NIF, du vill ha ett felfritt runt skal som har bränslet inuti, "Stadermann sa." Varje form av avvikelse från perfekt leder till störningar, vilket i sin tur kan minska mängden fusion vi kan få. "

Påfyllningsröret, han förklarade, leder till en "liten gåta. Vi måste få bränslet inuti kapseln, men samtidigt, när vi lägger in ett fyllrör, vi skapar en ofullkomlighet. "

Att minska bredderna från 10 mikron till fem mikron hjälpte. Tidigare i år, NIF uppnådde ett totalt fusionsneutronutbyte på 1,9 × 10 ¹⁶ (19 kvadriljoner), fördubbla det tidigare rekordet. Komplexiteten i att banta fyllningsrören, dock, ökade tillverkningstiden för kapslar från cirka en vecka till cirka fyra veckor.

Diamond Materials GmbH i Tyskland tillverkar diamantskal genom att belägga en kiseldorn med hög densitet kol. Vid General Atomics i San Diego, en blandning av salpetersyra och fluorvätesyra injiceras genom ett hål som borrats för fyllningsröret. Syran etsar ut dornens material, så småningom lämnar bara diamantskalet, som sedan fästs på fyllningsröret för att bilda kapselpåfyllningsrörsenheter.

Med bredare fyllningshål, den syraupplösta dornen skulle gå ut genom diffusion genom hålet inom några dagar. Övergången till 5-mikron fyllrör, dock, krävs mindre laserborrade fyllhål, vilket ökade diffusionstiden.

Stadermann jämförde avmattningen med morgonpendlingen från San Francisco-Oakland Bay Bridge på morgonen.

"Ju smalare du gör den öppningen, desto svårare är det att få ut den lösta dornen, "sa han." Det är som att ha en åtta-filig motorväg som går in i San Francisco och plötsligt skär du ner den till fyra körfält. Du försöker fortfarande få in lika många bilar till staden varje dag, så du kommer att få en trafikstockning och det kommer att ta mycket längre tid för alla att komma in. "

När jag övervägde ett smalare rör för ungefär ett år sedan, LLNL- och General Atomics -ingenjörer gjorde en nedslående beräkning:Baserat på den exponentiella tidsökningen för att gå från 10 mikron till 5 mikron, att få kapseln att rymma ett rör på två mikron kan ta så lång tid som sex månader.

"Det var outhärdligt, självklart, "Sa Stadermann.

General Atomics -ingenjören Casey Kong kallade uppgiften "ganska skrämmande".

"När tanken på två mikron fyllningsrör flöt runt, vi skämtade om att vi alla skulle gå i pension när ett skal var klart att läcka ut, " han sa.

Tryckcykling

Oförskräckt, General Atomics -teamet - inklusive Neal Rice och Wendi Sweet - pressade framåt. Kong sa att idén med tryckcykling kom från flera personer, inklusive labforskaren Tom Braun, som visade en video som visar hur tryck kan driva vätska in och ut ur ett skal för en annan NIF-relaterad applikation. LLNL -forskare Juergen Biener och Tom Bunn hjälpte till att stödja General Atomics -teamets ansträngningar.

Med tryckcykling, skalet placeras i en liten flaska inuti ett tryckkärl. Trycket ökas till så mycket som fem atmosfärer, krymper gasbubblan som bildas inifrån från etsningsprocessen och suger in färsk syra. Kärlet trycksätts sedan, som expanderar bubblan och trycker ut det oönskade dornmaterialet. Cykeln upprepas tills det återstående materialet har runnit ut.

"Vi kunde minska denna etsningsprocess från sex månader till flera dagar för det två mikron stora hålet, samtidigt förkorta tiden för 5-mikron borrhål till mindre än en dag från ungefär en månad, "Sa Stadermann.

Teamet var också tvungen att se till att de sköra tvåmikronrören kunde tillverkas och monteras med kapseln. Rörets två-mikron del är bara cirka en millimeter lång och ansluter till en längre del som avsmalnar utöver kapseln till cirka 40 mikron i diameter.

Men säljaren som tillverkade 5-mikronröret kunde inte leverera en tunnare version. Jay Crippen, teknisk tillverkningssamband för divisionen General Atomics Inertial Fusion Technologies, arbetat med andra leverantörer för att kvalificera en ny källa.

Teamet var också tvungen att testa limet som håller röret på plats när bränsle pumpas in och kryogeniskt fryses, sa Crippen, som Stadermann hyllade som en "trollkarl för församlingen".

Två mål med två mikron fyllrör har monterats vid LLNL för att säkerställa att de kommer att överleva processen. Medan laget förfinar tillverknings- och hanteringsprocedurer, dess medlemmar är övertygade om att processen kan bli rutinmässig inom nästa år.

"Vi visste att det skulle bli en inlärningskurva, "Sa Crippen.