Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och Laboratory for Laser Energetics (LLE) arbetar för att förbättra polar direct drive (PDD) neutronkällor på National Ignition Facility (NIF), världens mest energiska laser.

PDD-neutronkällor är kapslar fyllda med deuterium-tritium (DT) gas vid omgivningstemperatur och skjutna med robusta laserpulser som inte kräver sträng kontroll av lasereffektkontrast eller effektnoggrannhet. Dessa källor är mer tids- och resurseffektiva att använda på NIF än konventionella indirekta drivkällor som kräver högkvalitativa kryogena lager av DT-is. Dessutom, en lägre genererad målskräpbelastning gör att experiment med neutronstrålningseffekter kan placeras mycket närmare målet, skapa ett starkare neutronstrålningsfält för testning.

Teamet förbättrade avsevärt den totala fusionseffekten och laser-till-fusion energikonverteringseffektiviteten för PDD. Teamet utvecklade också en PDD exploderande pusher, eller PDXP, plattform som har möjliggjort strålningseffekttestning av återvinningsbara prover vid rekordnivåer på 14 MeV (megaelektronvolt) neutronfluens.

"I över ett och ett halvt år efter den första experimentella framgången, denna design av PDD var det mest effektiva sättet som finns för att konvertera laserenerginmatning till fusionsutgång, sa Charles Yeamans, teamledare och första författare till en artikel som visas i Kärnfusion . Medförfattare inkluderar Elijah Kemp, Zach Walters, Heather Whitley och Brent Blue från LLNL, och Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma Garcia och Yujia Yang från LLE.

"Att skjuta riktigt stora lasrar mot saker kan stimulera fusionsreaktioner som vad som händer i solen och andra stjärnor och jordiskt i kärnan av en kärnvapendetonation, "Yeamans sa. "Vi vill studera hur de intensiva strålningsfälten som genereras från fusion påverkar material, elektronik och konstruerade system som satelliter och flygplan. På NIF kan vi kontrollera och placera våra testobjekt nära den källan."

Dessutom, liknande direktdrivna kapselplattformar har många applikationer på NIF. Med olika gasfyllningar kan de användas för studier av kärnreaktioner av intresse för astrofysik och som en protonkälla för punktbakgrundsbelysning. De har också använts för att producera korta pulser av kontinuerliga röntgenstrålar med hög ljusstyrka för studier av utökad röntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS) och för opacitetsmätningar. Dessutom, de har använts för att göra stora komprimerade plasma för studier av elektronjonenergiöverföring.

"Övergripande, en bättre NIF-neutronkälldesign tillåter oss att utföra bättre strålningseffekttester i större antal än om vi enbart skulle förlita oss på de vanliga NIF-experimenten, " han sa.

Yeamans sa att arbetet utvecklade ett värdefullt tillägg till den övergripande experimentella testförmågan för strålningseffekter för labbet. "Det utvecklade också modellerings- och simuleringsförmågan för att förstå och förbättra neutronkällans design, " sa han. "Med detta arbete, vi är bättre i stånd att uppfylla detta ansvar nu och i framtiden."

Team framgång

Arbetet utfördes av ett team av designers – forskare som kör datorkoder som gör komplicerade fysikberäkningar – och experimentalister – ingenjörer som förstår och använder världens största laser, och vem bestämmer det bästa sättet att i praktiken testa vad som fungerar i simuleringen.

Flera av teammedlemmarna arbetar i båda rollerna, och andra specialiserar sig som antingen designer eller experimentalist baserat på vad forskargruppen behöver. Sexton dagar av NIF-experimenttid fördelat på mer än fem år ingick i källutvecklingssatsningen, med de tre bäst presterande designerna, var och en genomförd under en skottdag 2019, utvald för detaljerad diskussion i publikationen, sa Yeamans.

Heather Whitley, biträdande programdirektör för High Energy Density Science vid LLNL, utvecklade den initiala designen för en polär direktdriven kapsel med stor diameter med Craxton och Garcia från LLE och Warren Garbett från U.K. Atomic Weapons Establishment.

"Denna plattform är viktig eftersom den ger höga neutronfluenser och möjliggör nära placering av prover nära källan för överlevnadsexperiment, "Sade Whitley. "Den polära direktdriftskonfigurationen ger också utmärkt diagnostisk tillgång för andra högtemperaturplasmafysikexperiment."

Craxton från LLE hjälpte till att leda studenterna Garcia och Yangs arbete och sa att studenternas deltagande har varit viktigt för detta arbete. Varje elev var ansvarig för att beräkna den optimerade laserstrålepekningen för att uppnå enhetlig implosion av en specifik kapseldiameter. Denna optimering kompliceras av att NIF-strålens ingångsvinklar är optimerade för att driva ett cylindriskt hohlraummål. McKenty arbetade nära Craxton och resten av teamet för att bestämma den idealiska laserpulsformen.

"Vi gick igenom en hel serie experiment under många år, först med att producera neutroner för att testa NIF neutrondiagnostik medan NIF var i drift, ", sa Craxton. "Dessa experiment utvecklades för att möta behoven hos en mängd olika applikationer, med de största målen som producerar de höga skördarna som krävs för effektexperimenten."

Avgörande för framgången med detta arbete var tillverkningen och utvecklingen av de rätta testprotokollen för att få nyckeldata för att föreskriva säkra fälttryck av dessa stora (2-5 millimeter i diameter), tunnväggiga (cirka 10-30 mikrometer) kapslar, som är mer mottagliga för sprängning. Detta gjordes av måltillverkningsteamet främst på General Atomics (GA) i San Diego, i nära samarbete med LLNL:s måltillverkningsteam samt ovan nämnda fysikteam. Claudia Shuldberg och hennes team ledde arbetet på GA, medan Bill Saied och Kelly Youngblood ledde måltillverkningstekniken vid LLNL.