Al suo apice, un'implosione NIF di fusione a confinamento inerziale (ICF) dura circa 100 trilionesimi di secondo. Il combustibile imploso ha un diametro di cento milionesimi di metro e fino a otto volte più denso del piombo. Il centro della capsula implosa è alcune volte più caldo del nucleo del sole.

Sviluppare una chiara comprensione di ciò che accade esattamente in un'implosione del NIF in quelle condizioni estreme è una delle maggiori sfide che i ricercatori devono affrontare mentre lavorano per ottenere l'accensione della fusione sul sistema laser più grande e a più alta energia del mondo.

Per aiutare a vincere questa sfida, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e i suoi laboratori e università partner hanno progettato e costruito un'ampia suite di oltre una dozzina di diagnostica nucleare, con altro in arrivo.

"Quello che ti piacerebbe quando diagnostichi l'implosione è sapere tutto sul plasma imploso, " ha detto il fisico LLNL Dave Schlossberg.

"La suite di diagnostica nucleare cerca di affrontare diversi parametri che puoi misurare in modo indipendente, " ha detto. "Il sistema di imaging neutronico misura la distribuzione spaziale dell'implosione. La diagnostica del tempo di volo dei neutroni misura l'energia media e la velocità di deriva. E la storia della reazione gamma misura l'emissione rispetto al tempo. Mettendo insieme queste informazioni, mettiamo insieme un quadro migliore di ciò che sta accadendo nell'implosione".

"Alcune delle 'diafoniche' diagnostiche tra loro, " ha aggiunto il fisico Kelly Hahn. "Alcuni forniscono diversi pezzi (di informazioni), alcuni hanno pezzi simili e possiamo metterli tutti insieme per assemblare un quadro più completo. Se vuoi ottenere l'accensione, la diagnostica nucleare è cruciale".

Indizi per le prestazioni

Tra i fattori chiave che forniscono indizi sulle prestazioni dell'implosione vi sono la resa dei neutroni, la temperatura degli ioni (plasma) e il rapporto di downscatter:il rapporto tra il numero di neutroni ad alta energia e neutroni a bassa energia che sono stati dispersi attraverso le interazioni con gli isotopi di idrogeno nel carburante, un'indicazione della densità del combustibile e della distribuzione del combustibile freddo che circonda il punto caldo.

Altrettanto importanti sono il bang time, il tempo di emissione di neutroni di picco che caratterizza la velocità dell'implosione, e l'ampiezza dell'ustione, il periodo di tempo durante il quale l'implosione produce neutroni.

Tutti questi parametri, e altri, sono valutati dalla diagnostica nucleare.

"La diagnostica nucleare fondamentalmente è l'unica diagnostica che misura realmente la densità e la temperatura del carburante, ", ha affermato Alastair Moore, leader del gruppo di diagnostica nucleare. "E sono assolutamente fondamentali per capire quanto bene abbiamo assemblato il carburante e quanto siamo vicini all'accensione".

Negli esperimenti NIF ICF, fino a 192 potenti raggi laser riscaldano un "forno" cilindrico a raggi X chiamato hohlraum. I raggi X comprimono gli isotopi dell'idrogeno, deuterio e trizio (DT), parzialmente congelato all'interno di una minuscola capsula sospesa all'interno dell'hohlraum. Se la densità e la temperatura sono sufficientemente elevate e durano abbastanza a lungo, il carburante si accenderà e genererà una reazione termonucleare autosufficiente che si diffonde attraverso il carburante e rilascia una grande quantità di energia, principalmente sotto forma di neutroni ad alta energia.

Il processo di implosione crea temperature e pressioni simili a quelle che si trovano all'interno delle stelle, pianeti giganti e esplosioni nucleari. Il NIF è un componente chiave del Programma di gestione delle scorte della National Nuclear Security Administration, e gli esperimenti sul NIF fanno progredire la ricerca scientifica sulla scienza ad alta densità di energia (HED), compresa l'astrofisica, scienza dei materiali e ICF.

Sconosciuti sconosciuti

Un valore particolare della diagnostica nucleare del NIF è la loro capacità di aiutare a rispondere a domande che i ricercatori non sapevano nemmeno di avere, quelle che gli scienziati chiamano "sconosciute sconosciute".

Recentemente, Per esempio, la schiera di quattro rilevatori di tempo di volo di neutroni posizionati attorno alla camera bersaglio ha rivelato che il minuscolo punto caldo al centro dell'implosione stava andando alla deriva a una velocità di circa 100 chilometri al secondo, un'indicazione di asimmetria dell'implosione, una delle principali cause di prestazioni degradate.

"Inizialmente avevamo due spettrometri, " ha detto il fisico Ed Hartouni, "e l'aggiunta di un terzo spettrometro ci ha dato la possibilità di vedere il movimento e misurare la velocità di deriva del punto caldo, che non era affatto previsto. In realtà ci è voluto un po' di tempo per essere accettato, questa interpretazione di ciò che questi rivelatori ci stavano dicendo.

"Hanno rivelato qualcosa che stava succedendo nell'implosione che non avevamo previsto, che nessuno si aspettava, " ha detto. "Che il punto caldo potesse muoversi, è stato abbastanza sorprendente."

"In realtà abbiamo un quinto spettrometro in arrivo, " ha osservato Moore, "che ci darà una capacità ancora migliore di capire se il punto caldo si sta muovendo perché lo abbiamo guidato in modo asimmetrico, o perché la capsula è asimmetrica, o l'hohlraum è asimmetrico. Tutte queste modalità di guasto che possono portare a scarse prestazioni di implosione possono essere diagnosticate direttamente disponendo di più spettrometri che osservano la stessa implosione".

E non è tutto. In una collaborazione guidata dal Los Alamos National Laboratory (LANL) Neutron Imaging Team, ricercatori della LANL, LLNL e il Laboratory for Laser Energetics (LLE) dell'Università di Rochester hanno recentemente aggiunto un terzo sistema di imaging a neutroni, NIS3, progettato per fornire un'immagine 3D che mostra la dimensione e la forma del plasma DT in fiamme durante la fase di accensione di un'implosione.

La dimensione del punto caldo e l'asimmetria del carburante sono determinate dall'immagine del primario, o ad alta energia, neutroni, e la densità areale del combustibile freddo, noto come rho-R, si deduce dal rapporto di downscatter. La densità dell'area è un fattore importante nella configurazione finale del combustibile per ottenere l'accensione e la combustione per fusione.

"Mentre NIF si muove verso prestazioni più elevate, comprendere la natura tridimensionale di queste implosioni diventa fondamentale, " ha affermato il fisico del LLNL David Fittinghoff. "Con le due precedenti linee di vista di imaging di neutroni (sull'equatore e sul polo nord della camera bersaglio) abbiamo dovuto fare un'ipotesi sulla simmetria dell'implosione.

"Ora con il nuovo NIS3 abbiamo tre linee di vista ortogonali con cui ricostruire un volume di plasma fuso, " ha detto. "Un'analogia potrebbe essere la differenza tra vedere un dipinto di un uomo e camminare effettivamente intorno alla sua scultura".

Oltre a migliorare l'imaging dei neutroni, NIS3 fornisce anche una linea di vista per l'imaging dei raggi gamma prodotti dalla dispersione anelastica dei neutroni di fusione dal carbonio nel materiale della capsula bersaglio rimanente durante un'implosione. Ciò potrebbe aiutare i ricercatori a determinare la quantità e l'effetto della miscelazione del materiale della capsula con il combustibile di fusione, una fonte nota di degrado delle prestazioni.

Un altro importante aggiornamento diagnostico è stato completato nel 2017 con l'installazione di una serie di 48 rilevatori di attivazione di neutroni in tempo reale, o RT-NAD, in punti strategici intorno alla Camera bersaglio.

NAD precedenti, chiamati NAD flangiati, ha funzionato quando neutroni non dispersi hanno attivato un campione di zirconio. I campioni attivati ​​sono stati rimossi dalla camera e il livello di attivazione è stato determinato utilizzando tecniche di conteggio nucleare in altre parti del sito. L'attivazione dei rilevatori NAD in tempo reale è monitorata in situ, fornendo un migliore campionamento della distribuzione angolare della resa di neutroni non dispersi con un turnaround molto più rapido e ad un costo operativo significativamente inferiore.

Il sistema fornisce una determinazione quasi in tempo reale della distribuzione della fluenza dei neutroni. Funziona su due o tre ordini di grandezza di resa di neutroni, fornendo stime di resa complessiva precise al 2% o superiori.

"La resa dei neutroni varia intorno alla camera perché ci sono diversi spessori del combustibile nel nucleo compresso dell'esplosione, " Ha spiegato Moore. "L'RT-NAD è principalmente un modo per dire come il carburante viene distribuito intorno al punto caldo quando la capsula va a sbattere".

"Ha il doppio del numero di rivelatori e cinque volte la sensibilità" del sistema NAD a flangia, il noto fisico diagnostico Richard Bionta, scienziato responsabile del sistema RT-NAD. "Nel vecchio sistema, avevamo un solo rilevatore. Ciascuno dei 20 dischi è stato posizionato nel rilevatore uno alla volta, quindi ci sono voluti cinque giorni per passare. (Gli RT-NAD) sono sicuramente molto meglio del modo in cui lo facevamo prima".

"Richard ha trascorso più di due anni a sviluppare la capacità di gestire quel flusso di dati, " ha aggiunto Moore. "Hai 48 rilevatori che leggono ogni 10 minuti e producono terabyte di dati. Provi ad analizzarlo e ricomponi di nuovo quell'immagine, di quello che è successo con lo sparo".