À l'occasion du premier anniversaire de l'obtention d'un rendement de plus de 1,3 mégajoules au National Ignition Facility du LLNL, les résultats scientifiques de cette expérience record ont été publiés dans trois articles évalués par des pairs :un dans Physical Review Letters et deux en Physical Review E . Cette image stylisée montre une cible cryogénique utilisée pour ces expériences record de fusion inertielle. Crédit :James Wickboldt/LLNL
Après des décennies de recherche sur la fusion par confinement inertiel, un rendement de plus de 1,3 mégajoules (MJ) a été atteint au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) pour la première fois le 8 août 2021, plaçant les chercheurs au seuil de gain de fusion et d'obtention d'un allumage scientifique.
À l'occasion du premier anniversaire de cette réalisation historique, les résultats scientifiques de cette expérience record ont été publiés dans trois articles évalués par des pairs :un dans Physical Review Letters et deux en Physical Review E . Plus de 1 000 auteurs sont inclus dans l'une des lettres d'examen physique papier pour reconnaître et reconnaître les nombreuses personnes qui ont travaillé pendant de nombreuses décennies pour permettre cette avancée significative.
"Le record a été une avancée scientifique majeure dans la recherche sur la fusion, qui établit que l'allumage par fusion en laboratoire est possible au NIF", a déclaré Omar Hurricane, scientifique en chef du programme de fusion par confinement inertiel du LLNL. "Réaliser les conditions nécessaires à l'allumage est un objectif de longue date pour toutes les recherches sur la fusion par confinement inertiel et ouvre l'accès à un nouveau régime expérimental où l'auto-échauffement des particules alpha dépasse tous les mécanismes de refroidissement dans le plasma de fusion."
Les articles décrivent en détail les résultats du 8 août 2021 et la conception, les améliorations et les mesures expérimentales associées. Alex Zylstra, physicien du LLNL, expérimentateur principal et premier auteur de l'étude expérimentale Physical Review E article, a noté qu'en 2020 et au début de 2021, le laboratoire a mené pour la première fois des expériences dans le régime "plasma brûlant", ce qui a préparé le terrain pour le record.
"A partir de cette conception, nous avons apporté plusieurs améliorations pour arriver à la prise de vue du 8 août 2021", a-t-il déclaré. "Les améliorations apportées à la conception physique et à la qualité de la cible ont toutes contribué au succès du tir d'août, qui est discuté dans la Physical Review E papiers."
Cette expérience a incorporé quelques changements, y compris une conception améliorée de la cible. "La réduction du temps de roue libre avec des hohlraums plus efficaces par rapport aux expériences précédentes était essentielle pour passer du plasma brûlant au régime d'allumage", a déclaré la physicienne du LLNL Annie Kritcher, conceptrice principale et première auteure de l'autre Physical Review E papier. "Les autres principaux changements ont été l'amélioration de la qualité de la capsule et un tube de remplissage de carburant plus petit."
Cette image en trois parties montre la géométrie cible caractéristique en coupe (a) qui comprend un hohlraum d'uranium appauvri bordé d'or entourant une capsule HDC avec certaines caractéristiques étiquetées. La capsule, d'environ 2 mm de diamètre, au centre du hohlraum d'environ 1 cm de hauteur, occupe une petite fraction du volume. Les faisceaux laser pénètrent dans la cible par les ouvertures supérieure et inférieure, appelées trous d'entrée laser. En (b), la puissance laser totale (bleu) en fonction du temps et la température de rayonnement hohlraum simulée pour l'expérience du 8 août 2021 sont indiquées avec quelques éléments clés étiquetés. Toutes les images sont de 100 microns carrés. Les données d'imagerie sont utilisées pour reconstruire le volume de plasma du point chaud nécessaire pour déduire la pression et d'autres propriétés du plasma. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
Depuis l'expérience d'août dernier, l'équipe a mené une série d'expériences pour tenter de répéter la performance et comprendre les sensibilités expérimentales dans ce nouveau régime.
"De nombreuses variables peuvent avoir un impact sur chaque expérience", a déclaré Kritcher. "Les 192 faisceaux laser ne fonctionnent pas exactement de la même manière d'un tir à l'autre, la qualité des cibles varie et la couche de glace se développe à des rugosités différentes sur chaque cible. Ces expériences ont fourni l'occasion de tester et de comprendre la variabilité inhérente à ce nouveau, sensible régime expérimental."
Bien que les tentatives répétées n'aient pas atteint le même niveau de rendement de fusion que l'expérience d'août 2021, toutes ont démontré un gain de capsule supérieur à l'unité avec des rendements de l'ordre de 430 à 700 kJ, nettement plus élevés que le rendement le plus élevé précédent de 170 kJ de février. 2021. Les données obtenues à partir de ces expériences et d'autres fournissent des indices cruciaux sur ce qui s'est bien passé et sur les changements nécessaires pour répéter cette expérience et dépasser ses performances à l'avenir. L'équipe utilise également les données expérimentales pour mieux comprendre les processus fondamentaux de l'allumage et de la combustion par fusion et pour améliorer les outils de simulation à l'appui de la gestion des stocks.
Pour l'avenir, l'équipe travaille à tirer parti des données expérimentales et des simulations accumulées pour passer à un régime plus robuste - plus loin au-delà de la falaise d'allumage - où les tendances générales trouvées dans ce nouveau régime expérimental peuvent être mieux séparées de la variabilité des cibles et des performances laser.
Des efforts pour augmenter les performances et la robustesse de la fusion sont en cours via des améliorations du laser, des améliorations des cibles et des modifications de la conception qui améliorent encore la fourniture d'énergie au point chaud tout en maintenant ou même en augmentant la pression du point chaud. Cela comprend l'amélioration de la compression du combustible de fusion, l'augmentation de la quantité de combustible et d'autres moyens.
"Il est extrêmement excitant d'avoir une" preuve d'existence "de l'allumage dans le laboratoire", a déclaré Hurricane. "Nous opérons dans un régime auquel aucun chercheur n'a eu accès depuis la fin des essais nucléaires, et c'est une opportunité incroyable d'élargir nos connaissances alors que nous continuons à progresser." Des chercheurs au bord de l'allumage par fusion au National Ignition Facility
