I dati che mettono in correlazione due fattori che portano alle asimmetrie da implosione hanno avvicinato gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) alla comprensione del divario tra le simulazioni e le prestazioni degli esperimenti di fusione a confinamento inerziale (ICF) presso il National Ignition Facility (NIF).

Questi esperimenti mirano ad innescare un'onda di combustione da fusione propagante nel combustibile deuterio-trizio. Per ottenere l'accensione, il combustibile deve raggiungere uno stato di autoriscaldamento in cui l'energia prodotta supera la perdita di energia per espansione, conduzione termica e raffreddamento radiativo.

Le implosioni ICF più performanti, con pressioni dell'hot-spot centrale di 360 Gbar (miliardi di atmosfere terrestri) e rese di fusione di 50 kilojoule, hanno iniziato a mostrare gli effetti dell'autoriscaldamento della fusione. Ma questi esperimenti continuano a non eseguire simulazioni 1 e 2D, che prevedono pressioni superiori a 500 Gbar e dinamiche dominate dall'autoriscaldamento.

Analizzando i dati di diversi anni di esperimenti ICF NIF ad alto rendimento, i ricercatori hanno trovato una correlazione tra la velocità dell'implosione del punto caldo e l'asimmetria della densità areale del combustibile (lo spessore e la densità combinati del guscio di combustibile da fusione congelato imploso).

I risultati sono stati riportati in a Lettere di revisione fisica articolo del fisico Hans Rinderknecht del Laboratory for Laser Energetics (che ha eseguito questo lavoro mentre era Lawrence Fellow presso LLNL), LLNL fisico Dan Casey e colleghi LLNL.

"Sappiamo che l'asimmetria è un degrado principale delle prestazioni di implosione, " Casey ha detto. "Abbiamo scoperto che l'asimmetria 3-D esiste ed è correlata tra due misurazioni chiave. Questi risultati gettano le basi per il lavoro successivo per rintracciare le fonti delle asimmetrie".

La correlazione era coerente in un'ampia gamma di configurazioni di tiro e bersaglio, compresi i colpi dal carbonio ad alta densità (HDC), "BigFoot" (alto adiabat, o compressione ridotta, HDC) e tradizionali campagne CH (capsule in plastica).

"Abbiamo scoperto che la maggior parte delle implosioni eseguite negli ultimi tre anni del programma ICF sul NIF aveva un'asimmetria non intenzionale che "spingeva" l'implosione da un lato invece di implodere uniformemente. Ciò significava che parte dell'energia veniva sprecata, " Disse Rinderknecht.

La sorprendente coincidenza di grandezza e direzione tra la velocità del punto caldo e l'asimmetria della densità areale del carburante attraverso una vasta gamma di esperimenti con varia composizione dell'ablatore, la storia della potenza del laser e altri fattori suggeriscono un comune, causa sistematica sottostante. Le implosioni tendevano a essere spinte verso le finestre diagnostiche nell'hohlraum. Quelle finestre sono ricoperte da strati d'oro più sottili che consentono alle telecamere a raggi X di vedere la capsula all'interno dell'hohlraum.

Due diagnosi sovrapposte

I ricercatori hanno applicato il loro metodo di analisi a 44 implosioni di strati di ghiaccio criogenico di deuterio-trizio eseguite su NIF tra il 2016 e il 2018. La direzione del movimento del punto caldo è stata osservata in 17 su 18 HDC, 10 su 11 Bigfoot e sei su 15 implosioni CH.

"È una classica storia di come due set di dati siano meglio di uno, " Disse Rinderknecht.

I NAD registrano quanti neutroni prodotti dalla fusione escono dall'implosione senza dispersione. Questa diagnostica, perciò, può determinare le variazioni di densità del carburante in varie direzioni.

Però, Anche i NAD possono essere influenzati dallo spostamento Doppler:se l'implosione si sta muovendo verso il rivelatore, i neutroni ottengono un aumento di energia e il segnale viene quindi aumentato a causa della sezione d'urto di attivazione del NAD dipendente dall'energia. Gli spettrometri nTOF misurano anche lo spostamento Doppler dei neutroni.

La diagnostica è l'unico modo per osservare cosa sta realmente accadendo nelle implosioni, ma possono essere viziati o fraintesi. "Quando inizi a raccogliere e interpretare i dati, è facile discutere se ciò che stai vedendo sia reale o meno, soprattutto se il risultato è sorprendente, " Disse Rinderknecht.

"Una volta che avevo entrambi i set di dati, Ho iniziato a tracciarli insieme - velocità del punto caldo contro asimmetria della densità - e il modello condiviso è saltato fuori, " ha detto. "I due set di dati di supporto provenienti da due diversi e controllati indipendentemente diagnostici si sono confermati l'un l'altro attraverso così tanti scatti con condizioni così diverse, è diventato chiaro che stava succedendo qualcosa di reale e significativo".

Andando avanti, I ricercatori di LLNL stanno sviluppando modelli dettagliati per valutare le perdite di radiazione delle finestre in modo più quantitativo, compresi gli effetti dell'architettura delle finestre e delle dinamiche di ablazione.

"Sulla base di questi dati è stato avviato un programma di ricerca per trovare e controllare le origini dell'asimmetria pulsionale, che rimane un passo cruciale per gli sforzi in corso per ottenere l'accensione sul NIF, " hanno detto i ricercatori nel documento.

I risultati preliminari indicano che le asimmetrie nell'erogazione del laser sono paragonabili a quelle delle finestre diagnostiche. Variazioni di spessore della capsula, Anche le variazioni dello spessore dello strato di ghiaccio e il disallineamento tra laser e bersaglio potrebbero essere fonti di asimmetria.

"Il lavoro per identificare e controllare la fonte di questa asimmetria è in corso e sarà essenziale per migliorare ulteriormente le prestazioni di implosione e ottenere l'accensione nell'ICF a trasmissione indiretta, " hanno detto i ricercatori.

Casey e Rinderknecht si sono uniti sulla carta, "Asimmetria della guida azimutale nelle implosioni di fusione a confinamento inerziale sull'impianto di accensione nazionale, " dai colleghi di LLNL Robert Hatarik, Riccardo Bionta, Brian MacGowan, Prav Patel, Nino Landen, Ed Hartouni e Omar Hurricane.