Les scientifiques ont examiné les performances du bore pur, carbure de bore, ablateurs de carbone et de nitrure de bore à haute densité - le matériau qui entoure un combustible de fusion et se couple au laser ou au rayonnement hohlraum dans une expérience - dans la plate-forme PDXP (polar direct drive exploding pusher), qui est utilisé au National Ignition Facility (NIF). La plate-forme utilise la configuration d'entraînement direct polaire pour entraîner des températures d'ions élevées dans une capsule à température ambiante et a des applications potentielles pour les études de physique des plasmas et comme source de neutrons.

Les principales conclusions du travail, présenté dans Physique des hautes densités d'énergie , montrer que ces ablateurs alternés n'améliorent pas la symétrie de l'implosion PDXP, selon l'auteur principal Heather Whitley, directeur de programme associé pour la science de la densité d'énergie élevée dans la section de physique fondamentale des armes au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

"Alors que nos simulations prédisent que la plate-forme ne se prête pas aux mesures de couplage électron-ion en raison d'un manque de symétrie d'implosion, les matériaux alternatifs permettent un meilleur couplage entre le laser et la capsule, ", a-t-elle déclaré. "Nous prévoyons de tester ces impacts prévus sur de futures expériences avec des sources de neutrons."

Le groupe de travail sur les sources de neutrons du LLNL examine l'amélioration du couplage car cela pourrait aider à améliorer le rendement des sources de neutrons polaires à entraînement direct, et finalement fournir des données sur la validité de la modélisation laser pour les simulations d'entraînement direct.

Au cours de ce travail, l'équipe a également aidé les développeurs de codes de simulation de fusion par confinement inertiel à mettre en œuvre des modèles plus avancés pour le couplage électron-ion, et la modélisation des implosions à entraînement direct a été étroitement associée à ce développement de code.

NIF permet d'accéder aux données dans des plasmas extrêmement chauds qui aident à valider et à améliorer la modélisation hydrodynamique du rayonnement pour une variété de systèmes de laboratoire et d'astrophysique. L'un des principaux objectifs du NIF a été de créer un allumage dans un plasma deutérium-tritium en laboratoire, mais concevoir avec succès des expériences pour atteindre cet objectif a été un défi. La conception de ces expériences repose fortement sur des modèles informatiques basés sur une compréhension et des hypothèses sur le comportement de ces plasmas chauds.

En tant que stagiaire postdoctoral, Whitley a travaillé sur le projet Cimarron, un projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire qui visait à utiliser le calcul haute performance pour étudier la physique des plasmas d'allumage.

"L'objectif de Cimarron était de développer de nouveaux modèles décrivant le transport de chaleur et de masse à un niveau microscopique afin d'aider à améliorer notre modélisation des expériences d'allumage, " dit-elle. " Suite aux travaux sur les modèles informatiques, nous voulions tester nos nouveaux modèles avec des données expérimentales et avons développé la plate-forme PDXP comme moyen de créer un plasma hors équilibre."

Dans ces expériences, les ions sont chauffés plus rapidement que les électrons via un très fort choc généré par le laser. L'équipe avait l'intention d'utiliser la spectroscopie résolue en temps, qui est une mesure de la quantité de lumière émise par le plasma à une fréquence spécifique, afin de mesurer les températures des ions et des électrons en fonction du temps pendant l'expérience. Les données permettraient à l'équipe de faire une comparaison directe avec les modèles que le projet Cimarron avait développés pour quelque chose appelé "couplage électron-ion, " qui est un paramètre qui décrit comment les ions et les électrons échangent de l'énergie dans un plasma.

Des expériences testent les performances des matériaux au NIF

"La plate-forme PDXP a été développée au NIF pour étudier l'équilibration électron-ion mais a fini par être une source de neutrons idéale pour plusieurs autres campagnes, " a déclaré Marilyn Schneider, co-auteur de l'article et responsable des premières expérimentations sur la plateforme.

"Le grand avantage de cette plate-forme est qu'elle est simple - une coque sphérique remplie de carburant - et permet de multiples diagnostics à partir de n'importe quel (et tous) ports NIF pour prendre des données et produire un rendement neutronique élevé, " a déclaré Schneider. "Cette recherche a fait une étude théorique de la performance (rendement neutronique) par rapport à la composition de la coque et son épaisseur."

Le physicien du LLNL, Charles Yeamans, prépare des expériences en utilisant certains des ablateurs alternatifs décrits dans l'article. Il a déclaré que le travail décrit une manière particulière de se déplacer dans un calcul de physique très compliqué, puis applique cette méthodologie pour prédire comment différents matériaux de capsule pourraient fonctionner lorsqu'ils sont utilisés dans une expérience NIF.

Le travail décrit comment les données des expériences précédentes sur les capsules en plastique, réalisée par le physicien LLNL Schneider et Maria Gatu Johnson du Massachusetts Institute of Technology, ont été utilisés pour comprendre pourquoi certaines méthodes utilisées étaient les plus efficaces pour modéliser le système et prédire les observations. L'étape suivante du processus consistait à faire de nouvelles prédictions basées sur l'application de la méthodologie à différents matériaux de capsules.

« Nous concevons de nouvelles expériences basées sur ces modèles prédisant une amélioration particulièrement utile des performances, comme un rendement plus élevé, ou le modèle prédisant un changement important dans une quantité mesurée, comme la trajectoire de la capsule en implosion ou la température de la brûlure nucléaire, ", a-t-il expliqué. "Ensuite, nous exécutons les expériences NIF pour tester si le calcul a effectivement réussi à prédire le changement de performance."

Il a dit que son rôle était de comprendre les données de tir NIF antérieures telles qu'elles existent, comprendre l'implication des prédictions du modèle, synthétiser ces deux catégories d'informations pour la conception de la prochaine série d'expériences, et préparez ces expériences.

La conception initiale de 2016 utilisait une coque en plastique - ou ablateur - qui était remplie de gaz deutérium avec une trace de dopant argon. L'argon a été utilisé dans la mesure spectroscopique, et la conception a assuré une séparation de température adéquate entre les électrons et les ions afin de rendre les mesures viables.

Les images de l'implosion des prises de vue 2016-2017 réalisées par Schneider et Gatu Johnson ont indiqué que la coque en plastique était très déformée lors de l'implosion. Les faisceaux laser qui ont directement touché la capsule ont imprimé une structure très compliquée sur l'obus en train d'imploser. Suite à ces clichés, Whitley et son équipe ont avancé que le passage à un matériau d'ablation différent pourrait permettre une implosion plus symétrique, soit en permettant une augmentation de la pression du deutérium, soit en améliorant la façon dont le matériau interagit avec le laser.

Les expérimentations du NIF rassemblent de grandes équipes

Whitley a déclaré que le projet est un excellent exemple de la façon dont le laboratoire collabore avec le monde universitaire pour appliquer à la fois des ressources de calcul et des plates-formes expérimentales afin d'améliorer la compréhension et les capacités de modélisation prédictive des plasmas d'allumage.

Franck Graziani, responsable du projet Cimarron et responsable du LLNL Center for High Energy Density Science, a déclaré que la plate-forme PDXP et la campagne de matériaux d'ablation sont un effort international impliquant la conception, l'expérience et l'expertise informatique du LLNL, Laboratoire d'énergétique laser, Établissement d'armes atomiques, Massachusetts Institute of Technology et l'Université de Californie, Berkeley.

"Nous continuons à nous intéresser à la validation de modèles de physique des plasmas tels que le couplage électron-ion dans le régime de physique à haute densité d'énergie, " a-t-il déclaré. " La plate-forme PDXP a été une avancée significative en nous permettant de créer les conditions requises et de les diagnostiquer. La plate-forme s'est également avérée être une source de neutrons précieuse pour les expériences."