国家点火装置检测各种材料作为聚变燃料烧蚀器的性能

NIF实验激光功率

这张图片显示了实验中使用的胶囊表面单位面积计算出的激光功率。黑点表示胶囊表面的尖端。图片来源:劳伦斯利弗莫尔国家实验室

科学家已经研究了纯硼的性能,碳化硼,高密度碳和氮化硼材料烧蚀体——围绕与激光聚变燃料和夫妻或腔辐射在极地直接驱动一个实验——爆炸推进器(PDXP)平台,用于在国家点火装置(NIF)。该平台采用极性直接驱动结构来驱动室温胶囊中的高离子温度,具有潜在的应用前景等离子体物理学研究和作为中子源。

这项工作的主要发现高能密度物理学根据Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)基础武器物理研究室 高能量密度科学项目副主任Heather Whitley的说法,表明这些替代烧蚀剂并没有改善PDXP内爆的对称性。

她说:“虽然我们的模拟预测,由于缺乏内爆对称性,平台不适合电子-离子耦合测量,但替代材料确实使激光和胶囊之间更好的耦合。”“我们计划测试这些预测对未来中子源实验的影响。”

LLNL的中子源工作组正在研究耦合方面的改进,因为它可以帮助提高极性直接驱动中子源的产率,并最终为直接驱动模拟提供激光建模有效性的数据。

通过这一工作过程,该团队还帮助惯性约束聚变模拟代码开发人员实现了更先进的电子-离子耦合模型,直接驱动内爆建模已与该代码开发紧密耦合。

NIF提供对极热等离子体数据的访问,帮助验证和改进各种实验室和天体物理系统的辐射流体力学模型。NIF的主要目标之一是在实验室中创造氘氚等离子体的点火,但成功设计实验来实现这一目标一直是一个挑战。这些实验的设计很大程度上依赖于基于对这些热等离子体行为的理解和假设的计算机模型。

作为博士后,Whitley参与了Cimarron项目,这是一个实验室指导的研究和发展项目,旨在使用高性能计算来研究点火等离子体的物理。

她说:“西马隆的目标是开发在微观层面描述热量和质量传输的新模型,以帮助改进我们的点火实验模型。”“在计算机模型工作之后,我们想用实验数据测试我们的新模型,并开发了PDXP平台,作为创建非平衡等离子体的一种方式。”

在这些实验中,离子被加热的速度比电子要快,这是通过非常强的激光产生的冲击产生的。该研究小组打算使用时间分辨光谱学来测量等离子体在特定频率下发出的光的数量,以便在实验中测量离子和电子的温度与时间的关系。这些数据将使研究小组能够与Cimarron项目为“电子-离子耦合”所开发的模型进行直接比较,“电子-离子耦合”是描述离子和电子在等离子体中如何交换能量的参数。

实验测试材料在NIF中的性能

“PDXP平台是在NIF开发的,用于研究电子-离子平衡,但最终成为其他几个活动的理想中子源,”该论文的合著者、该平台上的第一个实验的负责人Marilyn Schneider说。

Schneider说:“这个平台的最大优势是它很简单——充满燃料的球形外壳——允许从任何(和所有)NIF端口进行多重诊断,以获取数据并产生高中子产率。”“这项研究对性能(中子产额)与外壳成分和厚度进行了理论研究。”

LLNL的物理学家Charles Yeamans正在准备使用本文中描述的一些交替烧蚀器进行实验。他说,这项工作描述了一种通过非常复杂的物理计算的特殊方式,然后应用这种方法来预测不同的胶囊材料在NIF实验中使用时的表现。

这项工作描述了先前由LLNL物理学家施耐德和麻省理工学院的玛丽亚·加图·约翰逊(Maria Gatu Johnson)进行的塑料胶囊实验的数据是如何被用来理解为什么某些方法在系统建模和预测观测结果方面是最有效的。该过程的下一步是根据对不同胶囊材料的应用方法做出新的预测。

他解释说:“我们根据这些模型设计了新的实验,这些模型预测了特别有用的性能改进,比如更高的产量,或者预测了测量量的巨大变化,比如内爆胶囊的轨迹或核燃烧的温度。”“然后,我们执行NIF实验,测试计算是否确实成功预测了性能的变化。”

他说,他的任务是了解现有的NIF射击数据,了解模型预测的含义,将这两类信息综合到下一系列实验的设计中,并准备好这些实验。

2016年的最初设计使用了一个塑料外壳(或烧蚀器),里面充满了含有微量氩掺杂剂的氘气体。光谱测量中使用了氩气,该设计确保了电子和离子之间足够的温度分离,以使测量可行。

施耐德和加图·约翰逊在2016-2017年拍摄的内爆照片显示,塑料外壳在内爆过程中非常扭曲。直接击中太空舱的激光束在内爆的外壳上留下了非常复杂的结构。根据这些照片,惠特利和他的团队假设,转换到不同的烧蚀材料可能会实现更对称的内爆,要么通过增加氘压力,要么通过改善材料与激光的相互作用。

NIF实验将大型团队聚集在一起

Whitley说,该项目是实验室如何与学术界合作,应用计算资源和实验平台,以提高对点火等离子体的理解和预测建模能力的一个很好的例子。

Cimarron项目经理、LLNL高能密度科学中心负责人Frank Graziani表示,PDXP平台和烧蚀材料运动是一项国际努力,涉及LLNL、原子武器建立激光能量学实验室、LLNL的设计、实验和计算专业知识。麻省理工学院和加州大学伯克利分校

他说:“我们继续对等离子体物理模型的验证感兴趣,例如在高能密度物理体系中的电子-离子耦合。”“PDXP平台是向前迈出的重要一步,使我们能够创建所需的条件并诊断它们。该平台也被证明是一种有价值的中子源实验。”

参考:”比较极直接驱动的烧蚀体爆炸推进器平台”由希瑟·d·惠特利·g·伊利亚·坎普,Charles b . Yeamans,扎卡里·b·沃尔特斯布伦特·e·蓝、沃伦·j . Garbett玛丽莲·b·施耐德·r·斯蒂芬•Craxton艾玛·m·加西亚,帕特里克·w·McKenty玛丽亚Gatu-Johnson,凯尔已,约翰Castor,马库斯·戴恩,c·利兰·埃里森吉姆·a·加夫尼弗兰克·r·Graziani约翰·e·Klepeis娜塔莉·b·Kostinski安德里亚·l·Kritcher布兰登Lahmann,艾米·e·Lazicki海·勒(Richard a .伦敦,布莱恩·马德克斯米歇尔·c·马歇尔麦迪逊·e·马丁,Burkhard Militzer阿巴斯Nikroo,约瑟夫•流行病学(Ogitsu,约翰·e·帕斯克杰西·e·皮诺(Michael s . RuberyRonnie Shepherd, Philip A. Sterne, Damian C. Swift, Lin Yang and Shuai Zhang, 2021年2月15日,高能密度物理学
DOI: 10.1016 / j.hedp.2021.100928

LLNL的共同作者包括Elijah Kemp, Charles Yeamans, Zachary Walters, Brent E. Blue, Marilyn Schneider, Kyle Caspersen, John Castor, Markus Däne, C. Leland Ellison, Jim Gaffney, Frank R.Graziani, John E. klepeis, Natalie Kostinski, Andrea Kritcher, Amy Lazicki, Hai Le, Richard London, Brian Maddox, Michelle Marshall, Madison Martin,Abbas Nikroo, Joseph Nilsen, Tadashi Ogitsu, John Pask, Jesse Pino, Ronnie Shepherd, Philip Sterne, Damian Swift和LinYang。来自原子武器机构的合著者包括沃伦·加贝特和迈克尔·鲁伯里。其他合著者包括Shuai Zhang, Emma Garcia, R. Stephen Craxton,来自激光能量学实验室的Patrick McKenty;麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的玛丽亚·加图·约翰逊和布兰登·拉赫曼;以及来自加州大学伯克利分校的伯克哈德·米利策。

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