Ett team av forskare har genomfört en analys av direktdrivna guldsfärexperiment för att testa värmetransportmodeller som används i tröghetsinneslutningsfusion (ICF) och högenergidensitetsmodellering (HED). Det visade sig att alltför begränsning av värmeflödet orsakade oenighet med mätningen.

Dock, simuleringar med en reducerad icke-lokal värmetransportmodell matchade kvantitativt plasmaförhållandena (både elektrondensitet och temperatur) som härleddes från den optiska Thomson-spridningsdiagnostiken, och att plasmaförhållandena var kvalitativt förenliga med en lokal, oinskränkt värmetransportmodell. Ytterligare, oenighet i laserkoppling och utstrålad effekt beror sannolikt på brister i modeller för andra fysiska processer.

Detta arbete presenterades som ett inbjudet föredrag vid 2020 APS Division of Plasma Physics möte, och det dyker upp i Plasmas fysik i "Special Collection:Papers from the 62nd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics." Arbetet är en produkt av ett samarbete mellan Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Laboratory for Laser Energetics och University of Alberta. Experimentet utfördes vid Omega Laser Facility vid University of Rochester.

Will Farmer från LLNL fungerade som huvuddesigner och första författare till tidningen, och George Swadling var den ledande experimentalisten och medförfattaren. Ytterligare medförfattare inkluderar Mordy Rosen, Candace Harris, Marilyn Schneider, Mark Sherlock och Steven Ross från LLNL, Wojciech Rozmus och Colin Bruulsema från University of Alberta och Dana H. Edgell och Joe Katz från University of Rochester.

"Vi kunde inte matcha det uppmätta oabsorberade laserljuset och det utstrålade röntgenflödet, men plasmaförhållandena var okänsliga för energidiskrepansen för dessa processer, Farmer sa om arbetet. "Detta tyder på att brister i modelleringen inte beror på värmetransport utan på något annat stycke fysik."

Denna forskning utfördes i ett försök att fastställa källan till "drive-deficit, "ett långvarigt problem i ICF- och HED-modellering där kapselbang-tider alltid tycks inträffa senare än i simuleringar och mängden röntgenflöde i ett hohlraum överförutsägs genom simulering.

Tidigare, det hade föreslagits att användningen av en restriktiv värmeflödesmodell skulle kunna eliminera en del av drivunderskottet. Guldsfärens resultat stöder inte detta tillvägagångssätt och tyder på att problemet ligger någon annanstans. Att lösa problemet med drive-deficit är ett viktigt steg mot att utveckla en prediktiv modell av ICF- och HED-experiment.

Farmer jämförde energibalansen i ett hohlraum med att tillaga en kaka i en ugn. "Du har lagt in din kaka i ugnen, " sa han. "Och du vill veta när du måste ta ut den. För att veta, du måste förstå hur mycket energi du lägger i ugnen, hur mycket energi som reflekteras av väggarna och hur mycket energi som går förlorad genom ledning ut ur väggarna, så att din uppskattning av ugnstemperaturen är korrekt."

Farmer sa att av någon anledning, ugnen är svalare än vi tror att den borde vara och kakan verkar alltid ta längre tid att tillaga än vi tror att den borde, och detta arbete försöker ta reda på varför ugnen är "läckare" än förväntat. "Vi har bestämt att värmetransport, åtminstone för direktdrivna guldsfärer. Ingen vill ha en rinnande tårta, " han förklarade.

Farmer sa att arbetet ligger i hjärtat av lageruppdraget för labbet, eftersom det försöker utveckla prediktiva verktyg som kan tillämpas i hela HED- och ICF-gemenskaperna. "Jag tror att om vi kan förstå driv-underskottet, det kommer att få djupgående konsekvenser för många olika aktiva forskningsområden vid laboratoriet, " han sa.

Farmer sa att eftersom teamet har kommit fram till att problemet inte är värmetransport, nästa steg är att undersöka andra möjliga fysiska mekanismer. Först, de vill undersöka om de kan matcha både plasmaförhållandena och laserkopplingen med de bästa laserplasmainteraktionskoderna för låg Z, berylliumsfärer där lite energi delas upp i röntgenstrålar. Sedan kommer teamet att ta det som lärt sig och tillämpa det på guldsfärer för att se om det finns en självständig historia för både laserkoppling och värmetransport, med ytterligare diskrepans som sannolikt kan hänföras till brister i modelleringen av atomfysiska processer.

Andra, teamet har lagt fram ett förslag om att göra mid-Z-sfärer, där strålning har en måttlig inverkan på energibalansen. Där, forskarna kan testa om avvikelsen i simulerad energibalans beror på atomfysiks förutsägelser om röntgenopacitet och emissivitet.

Farmer sa att LLNL har byggt upp ett starkt samarbete med Rozmus och hans doktorand Bruulsema som var avgörande för att analysera uppgifterna för arbetet. Två publikationer har kommit ut från detta projekt hittills och en tredje håller på att skrivas. Ytterligare publikationer förväntas allt eftersom arbetet fortsätter.