Forskare har undersökt prestanda för rent bor, borkarbid, högdensitets kol- och bornitridablatorer-materialet som omger ett fusionsbränsle och kopplar ihop med laser- eller hohlraum-strålningen i ett experiment-i den polära direktdrivande exploderande pusher-plattformen (PDXP), som används vid National Ignition Facility (NIF). Plattformen använder den polära direktdrivningskonfigurationen för att driva höga jontemperaturer i en rumstemperaturkapsel och har potentiella tillämpningar för plasmafysikstudier och som neutronkälla.

De viktigaste resultaten av arbetet, med i Hög energidensitetsfysik , visa att dessa alternativa ablatorer inte förbättrar symmetrin för PDXP -implosionen, enligt huvudförfattaren Heather Whitley, biträdande programdirektör för högenergidensitetsvetenskap i sektionen för grundläggande vapenfysik vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

"Medan våra simuleringar förutspår att plattformen inte är mottaglig för elektron-jonkopplingsmätningar på grund av brist på implosionsymmetri, de alternativa materialen möjliggör bättre koppling mellan lasern och kapseln, "sa hon." Vi planerar att testa de förväntade effekterna på framtida experiment med neutronkällor. "

LLNL:s arbetsgrupp för neutronkällor undersöker förbättringen av kopplingen eftersom den kan bidra till att förbättra utbytet av de polära direktdrivna neutronkällorna, och slutligen tillhandahålla data om giltigheten av lasermodellering för simuleringar av direktdrift.

Under arbetets gång, teamet hjälpte också utvecklare av kodutvecklare för tröghetsinneslutning fusion med att implementera mer avancerade modeller för elektron-jon-koppling, och modellering av de direkta drivimplosionerna har varit nära kopplat till den kodutvecklingen.

NIF ger tillgång till data i extremt varma plasma som hjälper till att validera och förbättra strålningshydrodynamisk modellering för en mängd olika laboratorie- och astrofysiska system. Ett av NIFs huvudmål har varit att skapa antändning i en deuterium-tritiumplasma i laboratoriet, men att framgångsrikt utforma experiment för att uppnå det målet har varit en utmaning. Utformningen av dessa experiment förlitar sig mycket på datormodeller som är baserade på en förståelse och antaganden om beteendet hos dessa heta plasma.

Som postdoktorand, Whitley arbetade på Cimarron Project, ett laboratorieinriktat forsknings- och utvecklingsprojekt som syftade till att använda högpresterande datorer för att studera fysiken för tändplasma.

"Målet med Cimarron var att utveckla nya modeller som beskrev värme- och masstransport på mikroskopisk nivå för att hjälpa till att förbättra vår modellering av antändningsexperiment, "sa hon." Efter arbetet med datormodeller, vi ville testa våra nya modeller med experimentella data och utvecklade PDXP-plattformen som ett sätt att skapa en icke-jämviktsplasma. "

I dessa experiment, joner värms snabbare än elektronerna via en mycket stark lasergenererad chock. Teamet tänkte använda tidsupplöst spektroskopi, som är ett mått på hur mycket ljus som sänds ut från plasman vid en specifik frekvens, för att mäta temperaturen på både jonerna och elektronerna som funktion av tiden under experimentet. Uppgifterna skulle göra det möjligt för teamet att göra en direkt jämförelse med de modeller som Cimarron-projektet hade utvecklat för något som kallas "elektron-jonkoppling, "som är en parameter som beskriver hur joner och elektroner utbyter energi i en plasma.

Experiment testar hur material presterar på NIF

"PDXP-plattformen utvecklades på NIF för att studera elektron-jonekvilibrering men blev en idealisk neutronkälla för flera andra kampanjer, sa Marilyn Schneider, medförfattare till uppsatsen och ledare för de första experimenten på plattformen.

"Den stora fördelen med denna plattform är att den är enkel - sfäriskt skal fylld med bränsle - och tillåter flera diagnoser från alla (och alla) NIF -portar att ta data och ger hög neutronutbyte, Schneider sa. "Denna forskning gjorde en teoretisk studie av prestanda (neutronutbyte) kontra skalets sammansättning och dess tjocklek."

LLNL-fysikern Charles Yeamans förbereder experiment med några av de alternativa ablatorerna som beskrivs i tidningen. Han sa att arbetet beskriver ett särskilt sätt att gå igenom en mycket komplicerad fysikberäkning och sedan tillämpar den metoden för att förutsäga hur olika kapselmaterial kan prestera när de används i ett NIF-experiment.

Verket beskriver hur data från tidigare experiment på plastkapslar, utförd av LLNL -fysikern Schneider och Maria Gatu Johnson från Massachusetts Institute of Technology, användes för att förstå varför vissa metoder som användes var mest effektiva för att modellera systemet och förutsäga observationerna. Nästa steg i processen var att göra nya förutsägelser baserat på att tillämpa metodiken på olika kapselmaterial.

"Vi designar nya experiment baserade på dessa modeller som förutsäger en särskilt användbar förbättring av prestanda, som högre avkastning, eller modellen som förutsäger en stor förändring i en uppmätt kvantitet, som den imploderande kapselns bana eller temperaturen på den nukleära bränningen, "förklarade han." Sedan utför vi NIF -experimenten för att testa om beräkningen verkligen lyckades förutsäga förändringen i prestanda. "

Han sa att hans roll var att förstå tidigare NIF-skottdata som de existerar, förstå innebörden av modellprognoserna, syntetisera dessa två kategorier av information till utformningen av nästa experimentserie, och gör de experimenten klara.

Den ursprungliga designen från 2016 använde ett plastskal - eller ablator - som fylldes med deuteriumgas med en spårmängd av argondopmedel. Argon användes i den spektroskopiska mätningen, och designen säkerställde adekvat temperaturseparation mellan elektronerna och jonerna för att göra mätningarna genomförbara.

Bilderna av implosionen från skotten 2016-2017 utförda av Schneider och Gatu Johnson indikerade att plastskalet var mycket skevt i implosionen. Laserstrålarna som direkt träffade kapseln präglade en mycket komplicerad struktur på det imploderande skalet. Efter dessa bilder, Whitley och team menade att byte till ett annat ablatormaterial kan möjliggöra en mer symmetrisk implosion, antingen genom att möjliggöra ökat deuteriumtryck eller genom att förbättra hur materialet interagerar med lasern.

NIF-experiment samlar stora team

Whitley sa att projektet är ett utmärkt exempel på hur labbet samarbetar med akademin för att tillämpa både beräkningsresurser och experimentella plattformar för att förbättra förståelsen och förutsägbara modelleringsmöjligheter för tändplasma.

Frank Graziani, chef för Cimarron Project och chef för LLNL Center for High Energy Density Science, sa att PDXP-plattformen och ablatormaterialkampanjen är en internationell insats som involverar design, experiment och beräkningsexpertis från LLNL, Laboratorium för laserenergi, Etablering av atomvapen, Massachusetts Institute of Technology och University of California, Berkeley.

"Vi fortsätter att vara intresserade av validering av plasmafysikmodeller som elektronjonkoppling i fysikregimen med hög energitäthet, ", sade han. "PDXP-plattformen var ett viktigt steg framåt för att tillåta oss att skapa de nödvändiga villkoren och diagnostisera dem. Plattformen har också visat sig vara en värdefull neutronkälla för experiment."