Una nuova ricerca dell'Università di Rochester migliorerà l'accuratezza dei modelli informatici utilizzati nelle simulazioni di implosioni guidate da laser. La ricerca, pubblicato sulla rivista Fisica della natura , affronta una delle sfide nella ricerca di lunga data degli scienziati per raggiungere la fusione.

Negli esperimenti di fusione a confinamento inerziale (ICF) guidati da laser, come gli esperimenti condotti presso il Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester, fasci corti costituiti da intensi impulsi di luce, impulsi che durano solo miliardesimi di secondo, forniscono energia per riscaldare e comprimere un bersaglio di celle a combustibile a idrogeno. Idealmente, questo processo rilascerebbe più energia di quella utilizzata per riscaldare il sistema.

Gli esperimenti ICF guidati dal laser richiedono che molti raggi laser si propaghino attraverso un plasma, una zuppa calda di elettroni e ioni in movimento libero, per depositare la loro energia di radiazione precisamente sul bersaglio previsto. Ma, mentre le travi lo fanno, interagiscono con il plasma in modi che possono complicare il risultato previsto.

"ICF genera necessariamente ambienti in cui molti raggi laser si sovrappongono in un plasma caldo che circonda il bersaglio, ed è noto da molti anni che i raggi laser possono interagire e scambiare energia, "dice David Turnbull, uno scienziato LLE e il primo autore dell'articolo.

Per modellare accuratamente questa interazione, gli scienziati devono sapere esattamente come l'energia del raggio laser interagisce con il plasma. Mentre i ricercatori hanno offerto teorie sui modi in cui i raggi laser alterano un plasma, nessuno è mai stato dimostrato sperimentalmente.

Ora, ricercatori della LLE, insieme ai loro colleghi del Lawrence Livermore National Laboratory in California e del Centre National de la Recherche Scientifique in Francia, hanno dimostrato direttamente per la prima volta come i raggi laser modificano le condizioni del plasma sottostante, a sua volta influenzando il trasferimento di energia negli esperimenti di fusione.

"I risultati sono una grande dimostrazione dell'innovazione del Laboratorio e dell'importanza di costruire una solida comprensione delle instabilità laser-plasma per il programma nazionale di fusione, "dice Michael Campbell, il direttore della LLE.

USARE SUPERCOMPUTER PER MODELLARE FUSION

I ricercatori usano spesso i supercomputer per studiare le implosioni coinvolte negli esperimenti di fusione. È importante, perciò, che questi modelli informatici rappresentino accuratamente i processi fisici coinvolti, compreso lo scambio di energia dai raggi laser al plasma ed eventualmente al bersaglio.

Per l'ultimo decennio, i ricercatori hanno utilizzato modelli informatici che descrivono l'interazione reciproca del raggio laser coinvolta negli esperimenti di fusione guidata dal laser. Però, i modelli hanno generalmente ipotizzato che l'energia dei raggi laser interagisca in un tipo di equilibrio noto come distribuzione Maxwelliana, un equilibrio che ci si aspetterebbe nello scambio quando non sono presenti laser.

"Ma, Certo, i laser sono presenti, "dice Dustin Froula, uno scienziato senior presso la LLE.

Froula osserva che gli scienziati hanno predetto quasi 40 anni fa che i laser alterano le condizioni del plasma sottostanti in modi importanti. Nel 1980, è stata presentata una teoria che prevedeva queste funzioni di distribuzione non Maxwelliane nei plasmi laser a causa del riscaldamento preferenziale degli elettroni lenti da parte dei raggi laser. Negli anni successivi, Il laureato a Rochester Bedros Afeyan '89 (Ph.D.) ha previsto che l'effetto di queste funzioni di distribuzione degli elettroni non Maxwelliane avrebbe cambiato il modo in cui l'energia laser viene trasferita tra i raggi.

Ma in mancanza di prove sperimentali per verificare tale previsione, i ricercatori non ne hanno tenuto conto nelle loro simulazioni.

Turnbull, Froula, e lo studente laureato in fisica e astronomia Avram Milder ha condotto esperimenti presso l'Omega Laser Facility presso l'LLE per effettuare misurazioni altamente dettagliate dei plasmi riscaldati dal laser. I risultati di questi esperimenti mostrano per la prima volta che la distribuzione delle energie degli elettroni in un plasma è influenzata dalla loro interazione con la radiazione laser e non può più essere accuratamente descritta dai modelli prevalenti.

La nuova ricerca non solo convalida una teoria di vecchia data, ma mostra anche che l'interazione laser-plasma modifica fortemente il trasferimento di energia.

"Sono attualmente in fase di sviluppo nuovi modelli in linea che meglio tengono conto delle condizioni del plasma sottostanti, che dovrebbe migliorare la capacità predittiva delle simulazioni integrate di implosione, " dice Turnbull.