På sin topp, en NIF -tröghetsfusion (ICF) -implosion varar cirka 100 biljoner sekunder av en sekund. Det imploderade bränslet är hundra miljoner av en meter i diameter och upp till åtta gånger tätare än bly. Mitten av den imploderade kapseln är några gånger varmare än solkärnan.

Att utveckla en klar förståelse för exakt vad som händer i en NIF-implosion under dessa extrema förhållanden är en av de största utmaningarna forskare står inför när de arbetar för att uppnå fusionständning på världens största och högsta energilasersystem.

För att hjälpa till att möta den utmaningen, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och dess partnerlaboratorier och universitet har utformat och byggt en omfattande svit med mer än ett dussin kärnkraftsdiagnostik, med mer på gång.

"Vad du vill när du diagnostiserar implosionen är att veta allt om den imploderande plasmaen, "sa LLNL -fysikern Dave Schlossberg.

"Den kärndiagnostiska sviten försöker hantera olika parametrar som du kan mäta oberoende, "sa han." Neutronavbildningssystemet mäter den rumsliga fördelningen av implosionen. Neutrons tid-för-flygdiagnostik mäter genomsnittlig energi och drivhastighet. Och gammareaktionshistoriken mäter utsläpp med avseende på tid. Genom att samla den informationen, vi sammanställer en bättre bild av vad som händer i implosionen. "

"Några av diagnostiken" cross-talk "med varandra, "tillade fysikern Kelly Hahn." Vissa tillhandahåller olika delar (av information), vissa har liknande bitar och vi kan sammanföra dem alla för att få ihop en mer omfattande bild. Om du vill uppnå tändning, kärnkraftsdiagnostik är avgörande. "

Ledtrådar till prestanda

Bland de viktigaste faktorerna som ger ledtrådar till implosionsprestanda är neutronutbytet, jontemperaturen (plasma) och downscatter-förhållandet-förhållandet mellan antalet högenergi-neutroner och neutroner med lägre energi som har spridits genom interaktioner med väteisotoperna i bränslet, en indikation på bränsletäthet och fördelning av det kalla bränslet som omger hetpunkten.

Viktigt är också bangtiden - tiden för toppneutronemission som kännetecknar implosionens hastighet - och brännbredd, hur länge implosionen producerar neutroner.

Alla dessa parametrar, och andra, bedöms med kärnkraftsdiagnostik.

"Kärnkraftsdiagnostiken är i princip den enda diagnostik som verkligen mäter bränsletäthet och temperatur, "sa Alastair Moore, ledare för kärnkraftsdiagnostik." Och de är helt avgörande för att förstå hur bra vi monterade bränslet och hur nära tändning vi är. "

I NIF ICF -experiment, upp till 192 kraftfulla laserstrålar värmer en cylindrisk röntgen "ugn" kallad hohlraum. Röntgenstrålarna komprimerar väteisotoperna, deuterium och tritium (DT), delvis frusen inuti en liten kapsel som är upphängd i hohlraumet. Om densiteten och temperaturen är tillräckligt höga och håller tillräckligt länge, bränslet kommer att antändas och generera en självbärande termonukleär reaktion som sprider sig genom bränslet och frigör en stor mängd energi, främst i form av neutroner med hög energi.

Implosionsprocessen skapar temperaturer och tryck liknande dem som finns i stjärnor, jätteplaneter och kärnkraftsdetonationer. NIF är en nyckelkomponent i National Nuclear Security Administration's Stockpile Stewardship Program, och experiment på NIF främjar vetenskaplig forskning om vetenskap med hög energitäthet (HED) inklusive astrofysik, materialvetenskap och ICF.

Okända okända

Ett särskilt värde för NIF:s kärndiagnostik är deras förmåga att hjälpa till att svara på frågor som forskare inte ens visste att de hade - vad forskare kallar "okända okända".

Nyligen, till exempel, Uppsättningen med fyra neutron-tid-till-flygdetektorer placerade runt målkammaren avslöjade att den lilla heta platsen i mitten av implosionen drev med en hastighet av cirka 100 kilometer per sekund-en indikation på implosionsasymmetri, en viktig orsak till försämrad prestanda.

"Vi hade ursprungligen två spektrometrar, "sa fysikern Ed Hartouni, "och att lägga till en tredje spektrometer gav oss förmågan att se rörelse och mäta hethastighetens drifthastighet, vilket inte alls var väntat. Det tog faktiskt ganska lång tid att bli accepterad, denna tolkning av vad dessa detektorer berättade för oss.

"De avslöjade något som pågick i implosionen som vi inte förväntade oss, som ingen hade väntat sig, "sa han." Att hot spot kunde röra sig - det var ganska förvånande. "

"Vi har faktiskt en femte spektrometer på gång, "noterade Moore, "vilket kommer att ge oss en ännu bättre förmåga att förstå om hotspotet rör sig eftersom vi har drivit det asymmetriskt, eller för att kapseln är asymmetrisk, eller hohlraum är asymmetrisk. Alla dessa misslyckanden som kan leda till dålig implosionsprestanda kan diagnostiseras direkt genom att flera spektrometrar tittar på samma implosion. "

Och det är inte allt. I ett samarbete som leds av Los Alamos National Laboratory (LANL) Neutron Imaging Team, forskare från LANL, LLNL och Laboratory for Laser Energetics (LLE) vid University of Rochester lade nyligen till ett tredje neutronavbildningssystem, 3 NIS, utformad för att ge en 3D-bild som visar storleken och formen på den brinnande DT-plasma under tändningsstadiet av en implosion.

Hot-spotstorleken och bränsleasymmetrin bestäms utifrån bilden av den primära, eller hög energi, neutroner, och det kalla bränslets areal densitet, känd som rho-R, härleds från downscatter -förhållandet. Areal densitet är en viktig faktor i den slutliga konfigurationen av bränslet för att erhålla antändning och smältbränning.

"När NIF går mot högre prestanda, att förstå den tredimensionella naturen hos dessa implosioner blir kritisk, "sa LLNL -fysikern David Fittinghoff." Med de två tidigare neutronavbildande siktlinjerna (på ekvatorn och målkammarens nordpol) var vi tvungna att anta implosionens symmetri.

"Nu med den nya NIS3 har vi tre ortogonala siktlinjer för att rekonstruera en volym smältplasma, "sa han." En analogi kan vara skillnaden mellan att se en målning av en man och att faktiskt gå runt i hans skulptur. "

Tillsammans med att förbättra neutronbildning, NIS3 ger också en siktlinje för avbildning av gammastrålar som produceras genom oelastisk spridning av fusionsneutronerna från kol i målkapselmaterialet som återstår under en implosion. Detta kan hjälpa forskare att bestämma mängden och effekten av blandningen av kapselmaterial med fusionsbränslet, en känd källa till försämrad prestanda.

Ytterligare en stor diagnostikuppgradering slutfördes 2017 med installationen av en uppsättning av 48 realtids neutronaktiveringsdetektorer, eller RT-NAD, på strategiska platser runt målkammaren.

Tidigare NAD, kallas fläns NAD, fungerade när ospridna neutroner aktiverade ett prov av zirkonium. De aktiverade proverna avlägsnades från kammaren och aktiveringsnivån bestämdes med användning av nukleära räkningstekniker någon annanstans på platsen. Aktivering av NAD-detektorer i realtid övervakas på plats, ger bättre provtagning av vinkelfördelningen av det ospridna neutronutbytet med mycket snabbare vändning och till en betydligt lägre driftskostnad.

Systemet ger nästan realtidsbestämning av neutronfluensfördelningen. Det fungerar över två till tre storleksordningar av neutronutbyte, ger övergripande avkastningsuppskattningar exakt till 2 procent eller bättre.

"Neutronutbytet varierar runt kammaren eftersom du har olika tjocklek på bränslet i explosionens komprimerade kärna, "Moore förklarade." RT-NAD är främst ett sätt att berätta hur bränslet fördelas runt heta stället när kapseln slår. "

"Den har dubbelt så många detektorer och fem gånger känsligheten" för flänsens NAD -system, uppmärksammade diagnostikfysikern Richard Bionta, ansvarig forskare för RT-NAD-systemet. "I det gamla systemet, vi hade bara en detektor. Var och en av de 20 puckarna placerades i detektorn en i taget, så det tog fem dagar att gå igenom. (RT-NAD:erna) är verkligen mycket bättre än hur vi brukade göra det. "

"Richard tillbringade mer än två år med att utveckla förmågan att hantera den dataströmmen, "tillade Moore." Du har 48 detektorer som läser upp var tionde minut och producerar terabyte med data. Du försöker analysera det och sätta ihop bilden igen, om vad som hände med skottet. "