Denna grafik till vänster visar vinkelfördelningen av uppmätt neutronutbyte kontra riktningen i sfäriska polära koordinater som en färgplot. Den röda fläcken representerar en region av det komprimerade bränslet som är tunnare och har mer neutronutbyte detekterat. Grafiken till höger visar delar av den enkla modellen som approximerar 192 strålfläckar och 2-3 diagnostiska fönster vid hohlraumväggen som producerar en nettomod-1 i drift vid kapseln som är korrelerad med hotspothastighetsvektorns riktning och storlek. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och Laboratory for Laser Energetics (LLE) har beskrivit en enkel 3D-modell i hålrum och kapslar för implosioner av tröghetsinneslutning (ICF). Modellen kommer att hjälpa till att leverera den nödvändiga implosionssymmetrin på skiktade deuterium-tritium (DT) implosioner för antändning.
Resultaten av arbetet tar bort mycket av mysteriet som är förknippat med variationen i den observerade riktningen och storleken på hot spothastigheten från skiktade DT-implosioner som en del av antändningsexperimenten.
Brian MacGowan, LLNL -forskare och huvudförfattare till tidningen som presenteras i Fysik med hög energidensitet, sa att resultaten avslöjar en viktig källa för 3D-asymmetri i ICF-implosioner och etablerar ramverket genom vilket alla kända principorsaker som har upptäckts.
"Papperet kvantifierar känsligheten för den uppmätta hastigheten för den komprimerade hotspoten i kryogent skiktade DT-implosioner, till mode-1 asymmetri av röntgenflödet vid kapseln, inom indirekt drivande hohlraums, som är laseruppvärmda kaviteter som producerar en röntgenstrålningsenhet som imploderar en deuteriumfylld kapsel, " han sa.
En mode-1-asymmetri på 1 procent innebär att den extremt symmetriska ablationen av kapselytan genom röntgenstrålar effektivt pressar 1 procent hårdare i en viss riktning snarare än att vara sfäriskt symmetrisk. Den skillnaden är tillräcklig för att få hotspot att ha en resthastighet på upp till 100 km/s när det imploderande skalet stagnerar.
Uppsatsen etablerar också en metod för att förstå variationen i mode-1-asymmetrin hos flödet vid kapseln på grund av variationer i den uppmätta laserprestanda, känd målkonstruktion och förväntad strål- och målinriktningsvariabilitet.
"Vi kan relatera asymmetri i laserleverans och målkonstruktion till asymmetrin hos röntgenflödet vid kapseln som imploderas för att generera förutsättningarna för kärnfusion att inträffa, "sa han." Före denna analys ansågs variationen i asymmetri i den komprimerade hotspot vara idiopatisk, som saknar förklaring. Nu är det något som kan förstås och potentiellt kontrolleras."
Förstå 3D-hohlraum-modeller av asymmetrier i implosioner
MacGowan säger att det är viktigt att förstå källor till 3D-asymmetri i hohlraums och kapslar för ICF-implosioner för att kunna leverera den implosionsymmetri som krävs på skiktade DT-implosioner för antändning.
Dålig symmetri när skalet konvergerar leder till minskat tryck och minskad inneslutning i hotspot och därmed minskat neutronutbyte. Den huvudsakliga diagnostiken för symmetri i läge 1 i implosionen av ett DT-lager är hastigheten för neutronerna som emitteras från hotspot. Denna hastighet har visat sig vara variabel i storlek och riktning och är en indikator på massrörelse av hotspot i en viss riktning på grund av en asymmetrisk implosion.
"Att förstå källor gör det också möjligt att ställa in lämpliga specifikationer för att fixa dem eller implementera designbegränsningar före experimentet, såsom lägre förlustfönster, " han sa.
Förstå asymmetri i en viss målkonstruktion inför experimentet, inklusive skaltjocklek orund vid +/-0,5 mikron nivå, möjliggör också implementering av justeringar av laserleveransen på några få procentsnivåer som använder laserproducerat läge-1 för att eliminera kapseltjockleksasymmetri. Eftersom laserjusteringen är en systematisk förändring till 192 strålar, nätet påförd mode-1 asymmetri från lasern kan vara mycket exakt och riktad i enlighet därmed även när den vanliga variabiliteten hos National Ignition Facility (NIF) -levererad effekt läggs till.
Detta koncept demonstrerades i ett nyligen genomfört experiment på NIF som gav nästan rekordstort neutronutbyte. Lasern justerades för att producera en förväntad mode-1-asymmetri på +/-1,2 procent av det totala infallande röntgenflödet i rätt riktning för att kompensera för en stor asymmetri i kapseltjockleken.
Analyserar experiment sedan 2016
Arbetet gjordes genom analys av källor till mode-1-asymmetri från laserprestanda och målkonstruktion tillsammans med mätningar av hotspot-hastighetens storlek och riktning från 50 DT-skiktade implosionsexperiment utförda sedan 2016. Hotspot-hastigheten mättes genom att jämföra energispektra för emitterade neutroner i fyra olika betraktningsvinklar och härleder sedan medelhastigheten för hotspot. Läs om mätningar av Neutron Time of Flight (nToF) här.
Arbetet var en process av detektivarbete för att identifiera källorna och känsligheterna utifrån tillgängliga data. Det var väldigt få bilder där en stor förändring gjordes i en av källorna till läge-1 som skulle isolera effekten av en parameter, eftersom källorna vanligtvis låg nära specifikationen för just den källan.
Modell gynnar framtida arbete
MacGowan förklarar att utveckling och validering av modellen för mode-1 asymmetri gynnar LLNL genom att möjliggöra förklaring av variabilitet i den observerade hotspot-hastigheten och komprimerad bränsletäthet asymmetri när det gäller källor för mode-1 i lasern och målet som kan härledas från diagnostiska mätningar.
"I sista hand, detta arbete hjälper oss att förstå en principiell försämring av målprestanda och en källa till skott-till-skott prestandavariabilitet, ", sa han. "Arbetet etablerar en valuta för att byta ut specifikationer för precision i laserprestanda och inriktning, målkonstruktion och inriktning och anläggningsstabilitet."
Modellen kan användas i känslighetsstudier och Monte Carlo -beräkningar och möjliggör enkel spridning av osäkerheter för olika källor. Till exempel, påverkan av eventuell korrelerad drift i inriktningen av NIF-strålarna på grund av termiska effekter i NIF-laserfack kan jämföras med effekten av måltillverkningsfel eller instabilitet i NIF-pulsgenereringssystemet. De jämförs alla genom deras inverkan på mode-1-asymmetri vid kapseln och i slutändan relaterade till hotspothastigheten de genererar.
Genom att kvantifiera laser och fönster inducerade mode-1 och subtrahera dem från den observerade hotspot-hastigheten, det är möjligt att isolera effekten av en ny källa såsom kapseltjocklek mode-1. Detta arbete har möjliggjort kvantifieringen av effekten av kapseltjockleksläge-1 som beskrivs i en artikel som hänvisas till här.
