Figur a:Modell av kapseln i ett laserbestrålat hohlraum från synvinkel (65°, 120°). Typisk storlek och placering av diagnostiska fönster visas i blått. Figur (b):Beräknad minskning av strålningsflödet på kapseln i ett 3-fönsters hohlraum, förutsatt fullständig strålningsförlust genom fönstren.
Data som korrelerar två faktorer som leder till implosionsasymmetrier har fört forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ett steg närmare att förstå klyftan mellan simuleringar och utförandet av experiment med tröghetsinneslutning (ICF) vid National Ignition Facility (NIF).
Dessa experiment syftar till att antända en fortplantande fusionsförbränningsvåg i deuterium-tritiumbränsle. För att uppnå antändning, bränslet måste nå ett självuppvärmande tillstånd där den producerade energin överstiger energiförlusten från expansion, värmeledning och strålningskylning.
De bäst presterande ICF-implosionerna, med centrala hotspot-tryck på 360 Gbar (miljarder jordatmosfärer) och fusionsutbyten på 50 kilojoule, har börjat visa effekterna av fusions självuppvärmning. Men dessa experiment underpresterar fortfarande 1- och 2-D-simuleringar, som förutsäger tryck över 500 Gbar och dynamik som domineras av självuppvärmning.
Genom att analysera data från flera års högavkastande NIF ICF-experiment, forskare har funnit en korrelation mellan hastigheten för hot-spot-implosionen och asymmetrin hos bränslets areadensitet (den kombinerade tjockleken och densiteten hos det imploderande frusna fusionsbränsleskalet).
Resultaten rapporterades i en Fysiska granskningsbrev uppsats av Laboratory for Laser Energetics fysiker Hans Rinderknecht (som utförde detta arbete medan han var Lawrence Fellow vid LLNL), LLNL-fysikern Dan Casey och LLNL-kollegor.
"Vi vet att asymmetri är en huvudsaklig försämring av implosionsprestanda, ", sade Casey. "Vi fann att 3-D asymmetri existerar och är korrelerad mellan två nyckelmätningar. Dessa resultat lägger grunden för efterföljande arbete med att spåra upp källorna till asymmetrierna."
Korrelationen var konsekvent över ett brett spektrum av skott- och målkonfigurationer, inklusive bilder från högdensitetskol (HDC), "BigFoot" (hög-adiabat, eller minskad kompression, HDC) och traditionella CH (plastkapsel) kampanjer.
"Vi fann att de flesta av implosionerna som utförts under de senaste tre åren av ICF-programmet på NIF hade en oavsiktlig asymmetri som "skuffade" implosionen åt sidan istället för att implodera den jämnt. Detta innebar att en del av energin gick till spillo, sa Rinderknecht.
Det slående sammanträffandet av storlek och riktning mellan hotspot-hastigheten och asymmetrin hos bränslets areadensitet över ett brett spektrum av experiment med varierad ablatorsammansättning, laserkraftshistorik och andra faktorer tyder på en vanlig, systematisk bakomliggande orsak. Implosionerna tenderade att skjutas mot de diagnostiska fönstren i hohlraumen. Dessa fönster är täckta av tunnare guldlager som gör att röntgenkameror kan se kapseln inuti hohlraumen.
Neutronmedelvärde för hotspot-flödeshastighetens storlek och riktning utvärderad för NIF-kryogena implosioner i HDC (cirkel), Kampanjer Bigfoot (triangel) och CH (kvadrat) 2016–2018. De grå symbolerna representerar implosioner med bulkhastighet under 30 km/s. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
Två överlappande diagnostik
Forskarna tillämpade sin analysmetod på 44 implosioner av kryogena deuterium-tritium-islager utförda på NIF mellan 2016 och 2018. Hot-spot-rörelseriktningen observerades i 17 av 18 HDC, 10 av 11 Bigfoot och sex av 15 CH-implosioner.
"Det är en klassisk historia om hur två datauppsättningar är bättre än en, sa Rinderknecht.
NADs registrerar hur många fusionsproducerade neutroner som tar sig ur implosionen utan spridning. Denna diagnostik, därför, kan bestämma bränslets densitetsvariationer i olika riktningar.
Dock, NAD kan också påverkas av dopplerskiftet:om implosionen rör sig mot detektorn, neutronerna får en energiökning och signalen ökar därför på grund av det energiberoende NAD-aktiveringstvärsnittet. nTOF-spektrometrarna mäter också neutron-dopplerskiftet.
Diagnostik är det enda sättet att observera vad som faktiskt händer i implosionerna, men de kan vara felaktiga eller missförstådda. "När du börjar samla in och tolka data, det är lätt att hamna i diskussioner om huruvida det du ser är verkligt eller inte, speciellt om resultatet är överraskande, sa Rinderknecht.
"När jag hade båda uppsättningarna av data, Jag började rita dem tillsammans – hotspot-hastighet kontra densitetsasymmetri – och det delade mönstret dök upp direkt, " sa han. "De två stödjande datamängderna från två olika och oberoende granskade diagnostik bekräftade varandra över så många skott med så olika tillstånd, det blev tydligt att något verkligt och betydelsefullt pågick."
Går vidare, LLNL-forskare utvecklar detaljerade modeller för att bedöma fönsterstrålningsförluster mer kvantitativt, inklusive effekterna av fönsterarkitektur och ablationsdynamik.
"På grundval av dessa data har ett forskningsprogram initierats för att hitta och kontrollera ursprunget till drivasymmetrin, vilket fortfarande är ett avgörande steg för pågående ansträngningar för att uppnå tändning på NIF, ", sa forskarna i tidningen.
Preliminära resultat indikerar att asymmetrier i lasertillförsel är jämförbara med de i de diagnostiska fönstren. Kapseltjockleksvariationer, Variationer i isskiktets tjocklek och laser-till-mål-felinriktning kan också vara källor till asymmetri.
"Arbetet med att identifiera och kontrollera källan till denna asymmetri pågår och kommer att vara avgörande för att ytterligare förbättra implosionsprestanda och uppnå tändning i indirekt-driven ICF, " sa forskarna.
Casey och Rinderknecht fick sällskap på tidningen, "Azimutal drivasymmetri i tröghetsinneslutning fusionsimplosioner på den nationella tändningsanläggningen, " av LLNL-kollegor Robert Hatarik, Richard Bionta, Brian MacGowan, Prav Patel, Nino Landen, Ed Hartouni och Omar Hurricane.
