Gli scienziati hanno esaminato le prestazioni del boro puro, carburo di boro, ablatori di nitruro di boro e carbonio ad alta densità, il materiale che circonda un combustibile da fusione e si accoppia con la radiazione laser o hohlraum in un esperimento, nella piattaforma PDXP (polar direct drive Exploding Pusher), che viene utilizzato presso il National Ignition Facility (NIF). La piattaforma utilizza la configurazione dell'azionamento diretto polare per guidare le alte temperature degli ioni in una capsula a temperatura ambiente e ha potenziali applicazioni per studi di fisica del plasma e come sorgente di neutroni.

I principali risultati del lavoro, in primo piano Fisica ad alta densità di energia , mostrano che questi ablatori alternativi non migliorano la simmetria dell'implosione PDXP, secondo l'autore principale Heather Whitley, direttore associato del programma per High Energy Density Science nella sezione Fundamental Weapon Physics presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

"Mentre le nostre simulazioni prevedono che la piattaforma non è suscettibile di misurazioni di accoppiamento elettrone-ione a causa della mancanza di simmetria di implosione, i materiali alternativi consentono un migliore accoppiamento tra il laser e la capsula, " ha detto. "Abbiamo in programma di testare gli impatti previsti su futuri esperimenti con sorgenti di neutroni".

Il Neutron Source Working Group di LLNL sta esaminando il miglioramento dell'accoppiamento perché potrebbe aiutare a migliorare la resa delle sorgenti di neutroni polari a trasmissione diretta, e infine fornire dati sulla validità della modellazione laser per le simulazioni di azionamento diretto.

Nel corso di questo lavoro, il team ha anche aiutato gli sviluppatori di codici di simulazione della fusione a confinamento inerziale a implementare modelli più avanzati per l'accoppiamento elettrone-ione, e la modellazione delle implosioni dell'azionamento diretto è stata strettamente associata allo sviluppo del codice.

NIF fornisce l'accesso ai dati in plasmi estremamente caldi che aiutano a convalidare e migliorare la modellazione idrodinamica delle radiazioni per una varietà di sistemi di laboratorio e astrofisici. Uno degli obiettivi principali del NIF è stato quello di creare l'accensione in un plasma di deuterio-trizio in laboratorio, ma progettare con successo esperimenti per raggiungere questo obiettivo è stata una sfida. La progettazione di questi esperimenti si basa molto su modelli informatici basati su una comprensione e su ipotesi sul comportamento di questi plasmi caldi.

In qualità di assegnista post-dottorato, Whitley ha lavorato al progetto Cimarron, un progetto di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio che aveva lo scopo di utilizzare il calcolo ad alte prestazioni per studiare la fisica dei plasmi di accensione.

"L'obiettivo di Cimarron era sviluppare nuovi modelli che descrivessero il trasporto di calore e di massa a livello microscopico per aiutare a migliorare la nostra modellizzazione degli esperimenti di accensione, " ha detto. "Dopo il lavoro sui modelli di computer, volevamo testare i nostri nuovi modelli con dati sperimentali e abbiamo sviluppato la piattaforma PDXP come un modo per creare un plasma non in equilibrio".

In questi esperimenti, gli ioni vengono riscaldati più rapidamente degli elettroni tramite uno shock molto forte generato dal laser. Il team intendeva utilizzare la spettroscopia risolta nel tempo, che è una misura di quanta luce viene emessa dal plasma ad una frequenza specifica, per misurare le temperature sia degli ioni che degli elettroni in funzione del tempo durante l'esperimento. I dati permetterebbero al team di fare un confronto diretto con i modelli che il Progetto Cimarron aveva sviluppato per qualcosa chiamato "accoppiamento elettrone-ione, " che è un parametro che descrive come ioni ed elettroni scambiano energia in un plasma.

Gli esperimenti testano le prestazioni dei materiali al NIF

"La piattaforma PDXP è stata sviluppata al NIF per studiare l'equilibrio elettrone-ione, ma ha finito per essere una fonte di neutroni ideale per diverse altre campagne, "ha detto Marilyn Schneider, co-autore del paper e responsabile dei primi esperimenti sulla piattaforma.

"Il grande vantaggio di questa piattaforma è che è semplice - un guscio sferico riempito di carburante - e consente a più diagnostiche da qualsiasi (e tutte) le porte NIF di acquisire dati e produrre un'elevata resa di neutroni, " ha detto Schneider. "Questa ricerca ha fatto uno studio teorico delle prestazioni (resa di neutroni) rispetto alla composizione del guscio e al suo spessore".

Il fisico della LLNL Charles Yeamans sta preparando esperimenti utilizzando alcuni degli ablatori alternativi descritti nell'articolo. Ha detto che il lavoro descrive un modo particolare di muoversi attraverso un calcolo fisico molto complicato e quindi applica quella metodologia per prevedere come potrebbero funzionare i diversi materiali delle capsule quando utilizzati in un esperimento NIF.

Il lavoro descrive come i dati dei precedenti esperimenti sulle capsule di plastica, eseguita dal fisico LLNL Schneider e Maria Gatu Johnson del Massachusetts Institute of Technology, sono stati utilizzati per capire perché alcuni metodi utilizzati erano più efficaci nel modellare il sistema e prevedere le osservazioni. Il passo successivo del processo è stato quello di fare nuove previsioni basate sull'applicazione della metodologia a diversi materiali delle capsule.

"Progettiamo nuovi esperimenti basati su questi modelli che prevedono un miglioramento particolarmente utile delle prestazioni, come una resa maggiore, o il modello che prevede un grande cambiamento in una quantità misurata, come la traiettoria della capsula implodente o la temperatura dell'ustione nucleare, " ha spiegato. "Quindi eseguiamo gli esperimenti NIF per verificare se il calcolo ha avuto successo nel prevedere il cambiamento nelle prestazioni".

Ha detto che il suo ruolo era quello di comprendere i precedenti dati sui colpi NIF così come esistono, comprendere le implicazioni delle previsioni del modello, sintetizzare queste due categorie di informazioni per la progettazione della prossima serie di esperimenti, e prepara gli esperimenti per partire.

Il progetto iniziale del 2016 utilizzava un guscio di plastica, o ablatore, riempito di gas deuterio con una traccia di drogante di argon. L'argon è stato utilizzato nella misurazione spettroscopica, e il progetto ha assicurato un'adeguata separazione della temperatura tra gli elettroni e gli ioni al fine di rendere praticabili le misurazioni.

Le immagini dell'implosione degli scatti 2016-2017 condotti da Schneider e Gatu Johnson indicavano che il guscio di plastica era molto deformato nell'implosione. I raggi laser che hanno colpito direttamente la capsula hanno impresso una struttura molto complicata sul guscio implodente. A seguito di questi scatti, Whitley e il team hanno ipotizzato che il passaggio a un materiale ablatore diverso potrebbe consentire un'implosione più simmetrica, o consentendo una maggiore pressione del deuterio o migliorando il modo in cui il materiale interagisce con il laser.

Gli esperimenti NIF riuniscono grandi team

Whitley ha affermato che il progetto rappresenta un eccellente esempio di come il laboratorio collabori con il mondo accademico per applicare risorse computazionali e piattaforme sperimentali per migliorare la comprensione e le capacità di modellazione predittiva per i plasmi di accensione.

Francesco Graziani, responsabile del Progetto Cimarron e responsabile del Centro LLNL per la scienza ad alta densità energetica, ha affermato che la piattaforma PDXP e la campagna sui materiali ablatori sono uno sforzo internazionale che coinvolge il design, esperimento e competenza computazionale da LLNL, Laboratorio di Energetica Laser, Istituzione di armi atomiche, Massachusetts Institute of Technology e l'Università della California, Berkeley.

"Continuiamo ad essere interessati alla convalida dei modelli fisici del plasma come l'accoppiamento elettrone-ione nel regime di fisica ad alta densità di energia, " ha detto. "La piattaforma PDXP è stato un significativo passo avanti nel consentirci di creare le condizioni richieste e di diagnosticarle. La piattaforma ha anche dimostrato di essere una preziosa fonte di neutroni per gli esperimenti".