Gli ingegneri della National Ignition Facility (NIF) e della General Atomics del Lawrence Livermore National Laboratory hanno creato una capsula di combustibile a fusione a confinamento inerziale (ICF) con un tubo di riempimento di due micron di diametro e lungo la strada, ha trovato una soluzione a un dilemma simile al "Bay Bridge" che avrebbe potuto rallentare drasticamente il processo di fabbricazione delle capsule NIF.

Lo scorso mese, Il NIF ha condotto il primo test su un tubo da due micron utilizzato per iniettare carburante a idrogeno in una capsula bersaglio. Il minuscolo tubo ha funzionato come previsto e ha ridotto l'ingombro dei tubi da cinque e 10 micron che hanno dimostrato di causare problemi nelle implosioni NIF.

I sottili tubi di vetro si inseriscono anche in capsule di carburante realizzate con una tecnica diversa, chiamato ciclo di pressione, che era nuovo per questa applicazione. Ciò ha ridotto i tempi di produzione da sei mesi previsti a circa due giorni.

Entrambi i miglioramenti sono passi importanti verso il raggiungimento della missione di gestione delle scorte del NIF. ICF è un aspetto chiave per garantire la sicurezza, sicurezza e affidabilità delle armi nucleari della nazione.

"Ora vedremo quanto migliora se si rimpicciolisce ulteriormente il tubo di riempimento, " ha affermato il vicedirettore del programma Michael Stadermann. "Passare da 10 a cinque (negli esperimenti precedenti) è stato un grande miglioramento delle prestazioni".

I tubi di riempimento vengono utilizzati per iniettare una miscela di carburante deuterio e trizio (DT) in un guscio sferico delle dimensioni di un granello di pepe sospeso all'interno di un hohlraum. I 192 raggi laser ad alta energia del NIF colpiscono le pareti interne dell'hohlraum, generando raggi X che innescano una reazione di fusione mentre la miscela DT si comprime in un punto caldo che genera energia.

Le perturbazioni degradano le prestazioni

Ma i ricercatori in precedenza avevano determinato attraverso i dati delle riprese e le simulazioni al computer che i tubi di riempimento da 10 micron, mentre solo circa un sesto del diametro medio dei capelli umani, sono stati un fattore nelle perturbazioni che hanno degradato le prestazioni di implosione del NIF, in particolare negli esperimenti che utilizzano gusci di ablatore di diamante.

"Idealmente quando fai un esperimento su NIF, vuoi avere un guscio rotondo impeccabile che ha il carburante all'interno, " Disse Stadermann. "Qualsiasi tipo di deviazione dal perfetto porta a perturbazioni, che a sua volta può ridurre la quantità di fusione che possiamo ottenere."

Il tubo di riempimento, Lui ha spiegato, porta a un "piccolo enigma. Dobbiamo ottenere il carburante all'interno della capsula, ma allo stesso tempo, quando mettiamo un tubo di riempimento, creiamo un'imperfezione."

La riduzione delle larghezze da 10 micron a cinque micron ha aiutato. All'inizio di quest'anno, NIF ha raggiunto una resa totale di neutroni di fusione di 1,9 × 10 ¹⁶ (19 quadrilioni), raddoppiare il record precedente. La complessità di snellire i tubi di riempimento, però, ha aumentato il tempo di produzione delle capsule da circa una settimana a circa quattro settimane.

La Diamond Materials GmbH in Germania produce gusci di diamante ricoprendo un mandrino a sfera di silicio con carbonio ad alta densità. Alla General Atomics di San Diego, una miscela di acido nitrico e fluoridrico viene iniettata attraverso un foro praticato per il tubo di riempimento. L'acido incide il materiale del mandrino, alla fine lasciando solo il guscio di diamante, che viene poi attaccato al tubo di riempimento per formare gruppi di tubi di riempimento della capsula.

Con fori di riempimento più larghi, il mandrino disciolto in acido uscirebbe per diffusione attraverso il foro entro pochi giorni. Il passaggio ai tubi di riempimento da 5 micron, però, richiesti fori di riempimento più piccoli praticati al laser, che ha aumentato il tempo di diffusione.

Stadermann ha paragonato il rallentamento al pendolarismo mattutino San Francisco-Oakland Bay Bridge.

"Più stretta fai quell'apertura, più è difficile estrarre il mandrino sciolto, " ha detto. "È come avere un'autostrada a otto corsie che va a San Francisco e all'improvviso la riduci a quattro corsie. Stai ancora cercando di portare lo stesso numero di auto in città ogni giorno, quindi avrai un ingorgo e ci vorrà molto più tempo prima che tutti entrino".

Quando si contemplava un tubo più sottile circa un anno fa, Gli ingegneri di LLNL e General Atomics hanno fatto un calcolo scoraggiante:sulla base dell'aumento esponenziale del tempo necessario per passare da 10 micron a 5 micron, fare in modo che la capsula possa ospitare un tubo da due micron potrebbe richiedere fino a sei mesi.

"Era insopportabile, ovviamente, ", ha detto Stadermann.

L'ingegnere della General Atomics Casey Kong ha definito il compito "abbastanza scoraggiante".

"Quando l'idea dei tubi di riempimento da due micron è stata lanciata, abbiamo scherzato sul fatto che saremmo andati tutti in pensione prima che una conchiglia avesse finito di lisciviare, " Egli ha detto.

Cicli di pressione

imperterrito, il team della General Atomics, tra cui Neal Rice e Wendi Sweet, si è spinto in avanti. Kong ha affermato che l'idea del ciclo a pressione è venuta da diverse persone, tra cui lo scienziato di laboratorio Tom Braun, che ha mostrato un video che mostra come la pressione potrebbe far entrare e uscire del liquido da un guscio per una diversa applicazione relativa al NIF. Gli scienziati del LLNL Juergen Biener e Tom Bunn hanno aiutato a sostenere gli sforzi del team di General Atomics.

Con cicli di pressione, il guscio è posto in una piccola fiala all'interno di un recipiente di pressurizzazione. La pressione viene aumentata fino a cinque atmosfere, restringendo la bolla di gas che si forma all'interno dal processo di incisione e aspirando acido fresco. La nave viene quindi depressurizzata, che espande la bolla e spinge fuori il materiale del mandrino indesiderato. Il ciclo viene ripetuto fino alla fuoriuscita del materiale rimanente.

"Siamo stati in grado di ridurre questo processo di incisione da sei mesi a diversi giorni per il foro da due micron, allo stesso tempo accorciando il tempo per praticare fori da 5 micron a meno di un giorno da circa un mese, ", ha detto Stadermann.

Il team doveva anche garantire che i fragili tubi da due micron potessero essere realizzati e assemblati con la capsula. La porzione di due micron del tubo è lunga solo circa un millimetro e si collega a una porzione più lunga che si assottiglia oltre la capsula fino a circa 40 micron di diametro.

Ma il venditore che ha realizzato il tubo da 5 micron non poteva fornire una versione più sottile. Jay Crippen, collegamento di produzione ingegneristica per la divisione General Atomics Inertial Fusion Technologies, ha lavorato con altri fornitori per qualificare una nuova fonte.

Il team ha anche dovuto testare la colla che tiene in posizione il tubo mentre il carburante viene pompato e congelato criogenicamente, disse Crippen, che Stadermann ha elogiato come un "mago dell'assemblea".

Due obiettivi con tubi di riempimento da due micron sono stati assemblati presso LLNL per garantire che sopravvivano al processo. Mentre il team sta perfezionando le procedure di produzione e movimentazione, i suoi membri sono fiduciosi che il processo possa diventare una routine entro il prossimo anno.

"Sapevamo che ci sarebbe stata una curva di apprendimento, " ha detto Crippen.