Questo grafico a sinistra mostra la distribuzione angolare della resa dei neutroni misurata rispetto alla direzione in coordinate polari sferiche come grafico a colori. Il punto rosso rappresenta una regione del combustibile compresso che è più sottile e ha più resa di neutroni rilevata. Il grafico a destra mostra parti del modello semplice che approssima 192 spot del fascio e 2-3 finestre diagnostiche sulla parete dell'hohlraum che producono una modalità netta-1 in unità alla capsula che è correlata con la direzione e l'ampiezza del vettore di velocità dell'hotspot. Credito:Lawrence Livermore National Laboratory
Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e del Laboratory for Laser Energetics (LLE) hanno descritto un semplice modello 3D in hohlraum e capsule per implosioni di fusione a confinamento inerziale (ICF). Il modello aiuterà a fornire la simmetria di implosione richiesta su implosioni stratificate di deuterio-trizio (DT) per l'accensione.
I risultati del lavoro rimuovono gran parte del mistero associato alla variabilità nella direzione osservata e nell'ampiezza della velocità dell'hot spot dalle implosioni stratificate di DT come parte degli esperimenti di accensione.
Brian MacGowan, Scienziato LLNL e autore principale del documento presentato in Fisica ad alta densità energetica, ha detto che i risultati rivelano un'importante fonte di asimmetria 3D nelle implosioni ICF e stabiliscono il quadro attraverso il quale sono state scoperte tutte le cause principali note.
"Il documento quantifica la sensibilità della velocità misurata dell'hotspot compresso in implosioni DT stratificate criogenicamente, all'asimmetria di modo 1 del flusso di raggi X alla capsula, all'interno di hohlraums azionamento indiretto, che sono cavità riscaldate al laser che producono un'unità di radiazione a raggi X che implode una capsula piena di deuterio, " Egli ha detto.
Un'asimmetria di modo 1 dell'1% implica che l'ablazione estremamente simmetrica della superficie della capsula da parte dei raggi X sta effettivamente spingendo l'1% più forte in una particolare direzione piuttosto che essere sfericamente simmetrica. Questa differenza è sufficiente per far sì che l'hotspot abbia una velocità residua fino a 100 km/s quando il guscio implodente ristagna.
Il documento stabilisce anche un metodo per comprendere la variazione nell'asimmetria di modo 1 del flusso alla capsula a causa delle variazioni nelle prestazioni del laser misurate, costruzione nota del bersaglio e variabilità attesa del raggio e dell'allineamento del bersaglio.
"Possiamo mettere in relazione l'asimmetria nell'erogazione del laser e nella costruzione del bersaglio con l'asimmetria del flusso di raggi X nella capsula che è implosa per generare le condizioni affinché si verifichi la fusione nucleare, " ha detto. "Prima di questa analisi la variabilità dell'asimmetria nell'hotspot compresso era considerata idiopatica, come mancanza di spiegazione. Ora è qualcosa che può essere compreso e potenzialmente controllato".
Comprensione dei modelli hohlraum 3D delle asimmetrie nelle implosioni
MacGowan afferma che è importante comprendere le fonti di asimmetria 3D negli hohlraum e nelle capsule per le implosioni ICF al fine di fornire la simmetria di implosione richiesta sulle implosioni DT a strati per l'accensione.
Una scarsa simmetria quando il guscio converge porta a una pressione ridotta e a un confinamento ridotto nell'hotspot e quindi a una resa di neutroni ridotta. La principale diagnostica della simmetria di modo 1 nell'implosione di uno strato DT è la velocità dei neutroni emessi dall'hotspot. Questa velocità ha dimostrato di essere variabile in grandezza e direzione ed è un indicatore del movimento di massa dell'hotspot in una particolare direzione a causa di un'implosione asimmetrica.
"La comprensione delle fonti consente inoltre di impostare specifiche appropriate per risolverle o di implementare mitigazioni di progettazione prima dell'esperimento come finestre di perdita inferiori, " Egli ha detto.
Comprendere l'asimmetria in una particolare costruzione del bersaglio prima dell'esperimento, compreso lo spessore del guscio fuori tondo a livello di +/- 0,5 micron, consente inoltre l'implementazione di regolazioni alla consegna del laser al livello di poche percentuali che utilizzano la modalità 1 prodotta dal laser per annullare l'asimmetria dello spessore della capsula. Poiché la regolazione del laser è una modifica sistematica a 192 raggi, l'asimmetria netta di modo 1 imposta dal laser può essere molto precisa e diretta di conseguenza anche quando viene aggiunta la consueta variabilità della potenza erogata dal National Ignition Facility (NIF).
Questo concetto è stato dimostrato in un recente esperimento al NIF che ha prodotto una resa di neutroni quasi record. Il laser è stato regolato per produrre un'asimmetria di modalità 1 prevista del +/-1,2% del flusso totale di raggi X incidente nella giusta direzione per compensare una grande asimmetria nello spessore della capsula.
Analizzando esperimenti dal 2016
Il lavoro è stato svolto attraverso l'analisi delle fonti di asimmetria di modo 1 dalle prestazioni del laser e dalla costruzione del bersaglio insieme alle misurazioni dell'ampiezza e della direzione della velocità dell'hotspot da esperimenti di implosione a strati di 50 DT eseguiti dal 2016. La velocità dell'hotspot è stata misurata confrontando gli spettri di energia emessa neutroni a quattro diversi angoli di visione e quindi derivando la velocità media dell'hotspot. Leggi qui le misurazioni del tempo di volo dei neutroni (nToF).
Il lavoro è stato un processo di lavoro investigativo per identificare le fonti e le sensibilità sulla base dei dati disponibili. Ci sono stati pochissimi scatti in cui è stata apportata una modifica importante a una delle sorgenti della modalità 1 che avrebbe isolato l'effetto di un parametro, poiché le fonti erano solitamente vicine alle specifiche per quella particolare fonte.
Il modello trae vantaggio dal lavoro futuro
MacGowan spiega che lo sviluppo e la convalida del modello di asimmetria modalità 1 avvantaggia LLNL consentendo la spiegazione della variabilità nella velocità dell'hotspot osservata e l'asimmetria della densità del carburante compresso in termini di sorgenti di modalità 1 nel laser e nel bersaglio che possono essere derivati dalle misurazioni diagnostiche.
"In definitiva, questo lavoro ci aiuta a comprendere un principale degrado delle prestazioni del bersaglio e una fonte di variabilità delle prestazioni da un colpo all'altro, " ha detto. "Il lavoro stabilisce una valuta per scambiare le specifiche per la precisione nelle prestazioni e nell'allineamento del laser, costruzione e allineamento dell'obiettivo e stabilità dell'impianto."
Il modello può essere utilizzato negli studi di sensibilità e nei calcoli Monte Carlo e consente una facile propagazione delle incertezze per diverse fonti. Per esempio, l'impatto di qualsiasi deriva correlata nell'allineamento dei fasci NIF a causa degli effetti termici nelle baie laser NIF può essere paragonato all'impatto degli errori di fabbricazione del bersaglio o dell'instabilità nel sistema di generazione di impulsi NIF. Sono tutti confrontati attraverso il loro impatto sull'asimmetria di modo 1 nella capsula e in ultima analisi correlati alla velocità dell'hotspot che generano.
Quantificando la modalità 1 indotta dal laser e dalle finestre e sottraendole dalla velocità dell'hotspot osservata, è possibile isolare l'effetto di una nuova sorgente come la modalità di spessore della capsula-1. Questo lavoro ha consentito la quantificazione dell'effetto della modalità 1 dello spessore della capsula descritta in un articolo a cui si fa riferimento qui.
