Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e del Laboratory for Laser Energetics (LLE) stanno lavorando per migliorare le sorgenti di neutroni a trasmissione diretta polare (PDD) sul National Ignition Facility (NIF), il laser più energico del mondo.

Le sorgenti di neutroni PDD sono capsule riempite con gas deuterio-trizio (DT) a temperatura ambiente e sparate con robusti impulsi laser che non richiedono un rigoroso controllo del contrasto della potenza laser o precisione della potenza. Queste fonti sono più efficienti in termini di tempo e risorse da mettere in campo su NIF rispetto alle tradizionali fonti di azionamento indiretto che richiedono strati criogenici di alta qualità di ghiaccio DT. Inoltre, un carico di detriti bersaglio generato inferiore consente agli esperimenti sugli effetti delle radiazioni di neutroni di posizionarsi molto più vicino al bersaglio, creando un campo di radiazione di neutroni più forte per i test.

Il team ha sostanzialmente migliorato la produzione totale di fusione e l'efficienza di conversione dell'energia da laser a fusione per PDD. Il team ha anche sviluppato un pusher esplosivo PDD, o PDXP, piattaforma che ha consentito di testare gli effetti delle radiazioni su campioni recuperabili a livelli record di fluenza neutronica di 14 MeV (Mega elettronvolt).

"Da oltre un anno e mezzo dopo il successo sperimentale iniziale, questo progetto di PDD era il modo più efficiente esistente per convertire l'energia del laser in ingresso in uscita dalla fusione, " disse Charles Yeamans, capo squadra e primo autore di un articolo che appare in Fusione nucleare . I coautori includono Elijah Kemp, Zach Walters, Heather Whitley e Brent Blue di LLNL, e Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma Garcia e Yujia Yang di LLE.

"Sparare laser davvero grandi su cose può stimolare reazioni di fusione come ciò che accade nel sole e in altre stelle e a livello terrestre nel nucleo di una detonazione nucleare, " Yeamans ha detto. "Vogliamo studiare come gli intensi campi di radiazioni generati dalla fusione influenzano i materiali, elettronica e sistemi ingegneristici come satelliti e aeroplani. Al NIF siamo in grado di controllare e posizionare i nostri oggetti di prova vicino a quella fonte."

Inoltre, piattaforme simili a capsule a trasmissione diretta hanno molte applicazioni sul NIF. Con diversi riempimenti di gas possono essere utilizzati per studi di reazioni nucleari di interesse astrofisico e come sorgente di protoni per retroilluminazione puntiforme. Sono stati anche utilizzati per produrre brevi impulsi di raggi X continui ad alta luminosità per studi estesi della struttura fine di assorbimento dei raggi X (EXAFS) e per misurazioni di opacità. Inoltre, sono stati usati per produrre grandi plasmi compressi per studi sul trasferimento di energia elettrone-ione.

"Globale, una migliore progettazione della sorgente di neutroni NIF ci consente di condurre test sugli effetti delle radiazioni migliori in numero maggiore rispetto a se dovessimo fare affidamento esclusivamente sugli esperimenti NIF tradizionali, " Egli ha detto.

Yeamans ha affermato che il lavoro ha sviluppato una preziosa aggiunta alla capacità complessiva di test sperimentali sugli effetti delle radiazioni per il laboratorio. "Ha anche sviluppato la capacità di modellazione e simulazione per comprendere e migliorare la progettazione della sorgente di neutroni, " ha detto. "Con questo lavoro, siamo più in grado di adempiere a questa responsabilità ora e in futuro".

Successo di squadra

Il lavoro è stato condotto da un team di designer, scienziati che eseguono codici informatici che eseguono complicati calcoli di fisica, e sperimentatori, ingegneri che comprendono e gestiscono il laser più grande del mondo, e chi determina il modo migliore per testare in pratica ciò che funziona nella simulazione.

Molti membri del team lavorano in entrambi i ruoli, e altri si specializzano come designer o sperimentatori in base a ciò di cui il team di ricerca ha bisogno. Sedici giorni di tempo sperimentale NIF distribuiti su più di cinque anni sono stati inclusi nello sforzo di sviluppo della fonte, con i tre design più performanti, ciascuno condotto durante una giornata di tiro nel 2019, selezionato per una discussione dettagliata nella pubblicazione, disse Yeaman.

Heather Whitley, direttore del programma associato per High Energy Density Science presso LLNL, ha sviluppato il progetto iniziale per una capsula polare a trasmissione diretta di grande diametro con Craxton e Garcia di LLE e Warren Garbett dell'Atomic Weapons Establishment del Regno Unito.

"Questa piattaforma è importante perché fornisce elevate fluenze di neutroni e consente il posizionamento ravvicinato dei campioni vicino alla sorgente per esperimenti di sopravvivenza, " Whitley ha detto. "La configurazione di azionamento diretto polare fornisce anche un eccellente accesso diagnostico per altri esperimenti di fisica del plasma ad alta temperatura".

Craxton di LLE ha aiutato a guidare il lavoro degli studenti universitari Garcia e Yang e ha affermato che la partecipazione degli studenti è stata importante per questo lavoro. Ogni studente era responsabile del calcolo del puntamento del raggio laser ottimizzato per ottenere l'implosione uniforme di un diametro specifico della capsula. Questa ottimizzazione è complicata dal fatto che gli angoli di ingresso del raggio NIF vengono ottimizzati per guidare un bersaglio hohlraum cilindrico. McKenty ha lavorato a stretto contatto con Craxton e il resto del team per determinare la forma ideale dell'impulso laser.

"Abbiamo fatto tutta una serie di esperimenti per molti anni, prima a produrre neutroni per testare la diagnostica dei neutroni NIF mentre il NIF veniva commissionato, " ha detto Craxton. "Questi esperimenti si sono evoluti per soddisfare le esigenze di un'ampia varietà di applicazioni, con i bersagli più grandi che producono gli alti rendimenti richiesti per gli esperimenti sugli effetti".

Fondamentale per il successo di questo sforzo è stata la fabbricazione e lo sviluppo di protocolli di test adeguati per ottenere dati chiave per la prescrizione di pressioni di campo sicure di questi grandi (2-5 millimetri di diametro), capsule a parete sottile (circa 10-30 micrometri), che sono più suscettibili allo scoppio. Ciò è stato fatto dal team di fabbricazione di obiettivi principalmente presso la General Atomics (GA) a San Diego, lavorando a stretto contatto con il team di fabbricazione target di LLNL e con il team di fisica sopra menzionato. Claudia Shuldberg e il suo team hanno guidato il lavoro in GA, mentre Bill Saied e Kelly Youngblood hanno guidato lo sforzo di ingegneria della fabbricazione del bersaglio presso LLNL.