Des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et du Laboratory for Laser Energetics (LLE) travaillent à l'amélioration des sources de neutrons polaires à entraînement direct (PDD) sur le National Ignition Facility (NIF), le laser le plus énergétique au monde.

Les sources de neutrons PDD sont des capsules remplies de gaz deutérium-tritium (DT) à température ambiante et tirées avec des impulsions laser robustes qui ne nécessitent pas de contrôle de contraste de puissance laser ou de précision de puissance rigoureux. Ces sources sont plus efficaces en termes de temps et de ressources pour le champ sur NIF que les sources d'entraînement indirect conventionnelles qui nécessitent des couches cryogéniques de haute qualité de glace DT. En outre, une charge de débris cible générée plus faible permet aux expériences sur les effets du rayonnement neutronique de se positionner beaucoup plus près de la cible, créer un champ de rayonnement neutronique plus puissant pour les tests.

L'équipe a considérablement amélioré la production totale de fusion et l'efficacité de conversion d'énergie laser-fusion pour le PDD. L'équipe a également développé un poussoir explosif PDD, ou PDXP, plate-forme qui a permis de tester les effets des rayonnements sur des échantillons récupérables à des niveaux de fluence neutronique record de 14 MeV (méga électron-volt).

« Depuis plus d'un an et demi après le premier succès expérimental, cette conception de PDD était le moyen le plus efficace existant pour convertir l'entrée d'énergie laser en sortie de fusion, " dit Charles Yeamans, chef d'équipe et premier auteur d'un article publié dans La fusion nucléaire . Les co-auteurs incluent Elijah Kemp, Zach Walters, Heather Whitley et Brent Blue de LLNL, et Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma Garcia et Yujia Yang de LLE.

"Tirer de très gros lasers sur des objets peut stimuler des réactions de fusion comme ce qui se passe dans le soleil et d'autres étoiles et terrestrement au cœur d'une détonation nucléaire, " a déclaré Yeamans. "Nous voulons étudier comment les champs de rayonnement intense générés par la fusion affectent les matériaux, l'électronique et les systèmes d'ingénierie comme les satellites et les avions. Chez NIF, nous sommes en mesure de contrôler et de positionner nos objets de test à proximité de cette source."

En outre, des plates-formes de capsules à entraînement direct similaires ont de nombreuses applications sur le NIF. Avec différents remplissages de gaz, ils peuvent être utilisés pour des études de réactions nucléaires d'intérêt pour l'astrophysique et comme source de protons pour le rétroéclairage ponctuel. Ils ont également été utilisés pour produire de courtes impulsions de rayons X continus à haute luminosité pour des études de structure fine d'absorption de rayons X étendue (EXAFS) et pour des mesures d'opacité. En outre, ils ont été utilisés pour fabriquer de grands plasmas comprimés pour des études de transfert d'énergie électron-ion.

"Globalement, une meilleure conception de source de neutrons NIF nous permet d'effectuer de meilleurs tests d'effets de rayonnement en plus grand nombre que si nous devions compter uniquement sur les expériences NIF traditionnelles, " il a dit.

Yeamans a déclaré que le travail a développé un ajout précieux à la capacité globale de test expérimental des effets des rayonnements pour le laboratoire. "Il a également développé la capacité de modélisation et de simulation pour comprendre et améliorer la conception de la source de neutrons, " dit-il. " Avec ce travail, nous sommes mieux à même d'assumer cette responsabilité maintenant et à l'avenir."

Succès d'équipe

Le travail a été mené par une équipe de concepteurs - des scientifiques qui exécutent des codes informatiques qui effectuent des calculs physiques complexes - et des expérimentateurs - des ingénieurs qui comprennent et exploitent le plus grand laser du monde, et qui déterminent la meilleure façon de tester en pratique ce qui fonctionne dans la simulation.

Plusieurs membres de l'équipe travaillent dans les deux rôles, et d'autres se spécialisent en tant que concepteur ou expérimentateur en fonction des besoins de l'équipe de recherche. Seize jours de temps d'expérimentation NIF répartis sur plus de cinq ans ont été inclus dans l'effort de développement de la source, avec les trois designs les plus performants, chacun réalisé lors d'une journée de tournage en 2019, sélectionné pour une discussion détaillée dans la publication, dit Yeamans.

Heather Whitley, directeur associé du programme High Energy Density Science au LLNL, a développé la conception initiale d'une capsule polaire à entraînement direct de grand diamètre avec Craxton et Garcia de LLE et Warren Garbett du U.K. Atomic Weapons Establishment.

"Cette plate-forme est importante car elle fournit des fluences neutroniques élevées et permet le positionnement rapproché des échantillons près de la source pour les expériences de survie, " a déclaré Whitley. " La configuration d'entraînement direct polaire fournit également un excellent accès de diagnostic pour d'autres expériences de physique des plasmas à haute température. "

Craxton de LLE a aidé à diriger le travail des étudiants de premier cycle Garcia et Yang et a déclaré que la participation des étudiants a été importante pour ce travail. Chaque étudiant était responsable du calcul du pointage optimisé du faisceau laser pour obtenir une implosion uniforme d'un diamètre spécifique de capsule. Cette optimisation est compliquée par l'optimisation des angles d'entrée du faisceau NIF pour piloter une cible cylindrique de hohlraum. McKenty a travaillé en étroite collaboration avec Craxton et le reste de l'équipe pour déterminer la forme d'impulsion laser idéale.

« Nous avons fait toute une série d'expériences pendant de nombreuses années, premier à produire des neutrons pour tester les diagnostics neutroniques du NIF pendant la mise en service du NIF, " a déclaré Craxton. " Ces expériences ont évolué pour répondre aux besoins d'une grande variété d'applications, avec les plus grandes cibles produisant les rendements élevés requis pour les expériences d'effets."

La fabrication et le développement de protocoles de test appropriés pour obtenir des données clés permettant de prescrire des pressions de mise en service sûres de ces grands (2 à 5 millimètres de diamètre) étaient essentiels au succès de cet effort. capsules à paroi mince (environ 10-30 micromètres), qui sont plus susceptibles d'éclater. Cela a été fait par l'équipe de fabrication de cibles principalement chez General Atomics (GA) à San Diego, travaillant en étroite collaboration avec l'équipe de fabrication de cibles de LLNL ainsi qu'avec l'équipe de physique mentionnée ci-dessus. Claudia Shuldberg et son équipe ont dirigé les travaux de GA, tandis que Bill Saied et Kelly Youngblood ont dirigé l'effort d'ingénierie de fabrication cible à LLNL.