Figure a :Modèle de la capsule dans un hohlraum irradié au laser depuis l'angle de vue (65°, 120°). La taille et la position typiques des fenêtres de diagnostic sont indiquées en bleu. Figure (b) :Réduction calculée du flux de rayonnement sur la capsule dans un hohlraum à 3 fenêtres, en supposant une perte de rayonnement complète à travers les fenêtres.
Les données corrélant deux facteurs qui conduisent à des asymétries d'implosion ont rapproché les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de l'écart entre les simulations et les performances des expériences de fusion par confinement inertiel (ICF) au National Ignition Facility (NIF).
Ces expériences visent à déclencher une onde de combustion de fusion qui se propage dans du combustible deutérium-tritium. Pour obtenir l'allumage, le combustible doit atteindre un état d'auto-échauffement dans lequel l'énergie produite dépasse la perte d'énergie due à la détente, conduction thermique et refroidissement radiatif.
Les implosions ICF les plus performantes, avec des pressions au point chaud central de 360 Gbar (milliards d'atmosphères terrestres) et des rendements de fusion de 50 kilojoules, ont commencé à montrer les effets de l'auto-échauffement par fusion. Mais ces expériences sont encore moins performantes que les simulations 1 et 2D, qui prédisent des pressions supérieures à 500 Gbar et une dynamique dominée par l'auto-échauffement.
En analysant les données de plusieurs années d'expériences NIF ICF à haut rendement, les chercheurs ont trouvé une corrélation entre la vitesse de l'implosion du point chaud et l'asymétrie de la densité surfacique du combustible (l'épaisseur et la densité combinées de l'enveloppe de combustible de fusion gelée implosante).
Les résultats ont été rapportés dans un Lettres d'examen physique article du physicien Hans Rinderknecht (Laboratoire de Laser Energetics) (qui a effectué ce travail alors qu'il était Lawrence Fellow au LLNL), Le physicien du LLNL Dan Casey et ses collègues du LLNL.
"Nous savons que l'asymétrie est une dégradation principale des performances d'implosion, " Casey a déclaré. "Nous avons constaté que l'asymétrie 3-D existe et est corrélée entre deux mesures clés. Ces résultats jettent les bases des travaux ultérieurs pour traquer les sources des asymétries. »
La corrélation était cohérente dans une large gamme de configurations de tir et de cible, y compris les clichés du carbone haute densité (HDC), "BigFoot" (haut-adiabat, ou compression réduite, HDC) et les campagnes traditionnelles CH (capsule plastique).
"Nous avons constaté que la plupart des implosions réalisées au cours des trois dernières années du programme ICF sur NIF présentaient une asymétrie involontaire qui" poussait "l'implosion d'un côté au lieu de l'imploser uniformément. Cela signifiait qu'une partie de l'énergie était gaspillée, " a déclaré Rinderknecht.
La coïncidence frappante de l'amplitude et de la direction entre la vitesse du point chaud et l'asymétrie de la densité surfacique du carburant à travers un large éventail d'expériences avec une composition d'ablation variée, l'histoire de la puissance du laser et d'autres facteurs suggèrent une cause sous-jacente systématique. Les implosions avaient tendance à être poussées vers les fenêtres de diagnostic dans le hohlraum. Ces fenêtres sont recouvertes de couches d'or plus fines qui permettent aux caméras à rayons X de voir la capsule à l'intérieur du hohlraum.
Amplitude et direction de la vitesse d'écoulement du point chaud moyennées par les neutrons évaluées pour les implosions cryogéniques NIF dans le HDC (cercle), Campagnes Bigfoot (triangle) et CH (carré) de 2016 à 2018. Les symboles gris représentent des implosions avec une vitesse globale inférieure à 30 km/s. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
Deux diagnostics qui se chevauchent
Les chercheurs ont appliqué leur méthode d'analyse à 44 implosions de couches de glace cryogénique deutérium-tritium réalisées sur NIF entre 2016 et 2018. La direction du mouvement du point chaud a été observée dans 17 des 18 HDC, 10 des 11 Bigfoot et six des 15 implosions CH.
"C'est une histoire classique de la façon dont deux ensembles de données valent mieux qu'un, " a déclaré Rinderknecht.
Les NAD enregistrent le nombre de neutrons produits par fusion qui sortent de l'implosion sans diffusion. Ce diagnostic, donc, peut déterminer les variations de densité du carburant dans diverses directions.
Cependant, Les NAD peuvent également être affectés par le décalage Doppler :si l'implosion se déplace vers le détecteur, les neutrons reçoivent une augmentation d'énergie et le signal est donc augmenté en raison de la section efficace d'activation du NAD dépendant de l'énergie. Les spectromètres nTOF mesurent également le décalage Doppler des neutrons.
Le diagnostic est le seul moyen d'observer ce qui se passe réellement dans les implosions, mais ils peuvent être imparfaits ou mal compris. « Quand vous commencez à collecter et à interpréter des données, il est facile de se disputer pour savoir si ce que vous voyez est réel ou non, surtout si le résultat est surprenant, " a déclaré Rinderknecht.
"Une fois que j'ai eu les deux ensembles de données, J'ai commencé à les tracer ensemble - vitesse du point chaud par rapport à l'asymétrie de densité - et le modèle partagé est apparu tout de suite, ", a-t-il déclaré. "Les deux ensembles de données à l'appui de deux diagnostics différents et vérifiés indépendamment se sont confirmés l'un l'autre sur tant de prises de vue avec des conditions si différentes, il est devenu clair qu'il se passait quelque chose de réel et d'important."
Avancer, Les chercheurs du LLNL développent des modèles détaillés pour évaluer les pertes de rayonnement des fenêtres de manière plus quantitative, y compris les effets de l'architecture des fenêtres et de la dynamique d'ablation.
« Sur la base de ces données, un programme de recherche a été lancé pour trouver et contrôler les origines de l'asymétrie pulsionnelle, qui reste une étape cruciale pour les efforts en cours pour parvenir à l'allumage sur le NIF, ", ont déclaré les chercheurs dans le journal.
Les résultats préliminaires indiquent que les asymétries dans l'administration du laser sont comparables à celles des fenêtres de diagnostic. Variations d'épaisseur de capsule, les variations d'épaisseur de la couche de glace et le désalignement laser-cible pourraient également être des sources d'asymétrie.
« Les travaux visant à identifier et à contrôler la source de cette asymétrie sont en cours et seront essentiels pour améliorer davantage les performances d'implosion et obtenir l'allumage dans l'ICF à entraînement indirect, ", ont déclaré les chercheurs.
Casey et Rinderknecht ont été joints sur le papier, "Asymétrie d'entraînement azimutal dans les implosions de fusion à confinement inertiel sur l'installation d'allumage nationale, " par les collègues de LLNL Robert Hatarik, Richard Bionta, Brian MacGowan, Prav Patel, Nino Landen, Ed Hartouni et Omar Ouragan.
