Ulusal Ateşleme Tesisi, Füzyon Yakıtlı Ablatörler Olarak Çeşitli Malzemelerin Performansını İnceliyor
Bilim adamları, polar doğrudan tahrikli patlayan iticide (PDXP) saf bor, bor karbür, yüksek yoğunluklu karbon ve bor nitrür ablatörlerin (bir füzyon yakıtını çevreleyen ve lazer veya hohlraum radyasyonu ile bir deneyde çiftleşen malzeme) performansını incelediler. ) Ulusal Ateşleme Tesisi’nde (NIF) kullanılan platform. Platform, oda sıcaklığındaki bir kapsülde yüksek iyon sıcaklıklarını sürmek için polar doğrudan tahrik konfigürasyonunu kullanır ve potansiyel uygulamalara sahiptir. plazma fizik çalışmaları ve bir nötron kaynağı olarak.
Çalışmanın önemli bulguları, Yüksek Enerji Yoğunluğu Fizik, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda (LLNL) Temel Silah Fiziği bölümünde Yüksek Enerji Yoğunluğu Bilimi program direktörü yardımcı yazarı Heather Whitley’e göre, bu alternatif ablatörlerin PDXP patlamasının simetrisini iyileştirmediğini gösteriyor.
“Simülasyonlarımız, platformun içe patlama simetrisi eksikliği nedeniyle elektron-iyon eşleşme ölçümlerine uygun olmadığını tahmin etse de, alternatif malzemeler lazer ve kapsül arasında daha iyi eşleşme sağlıyor” dedi. “Bu öngörülen etkileri gelecekteki nötron kaynağı deneyleri üzerinde test etmeyi planlıyoruz.”
LLNL’nin Nötron Kaynağı Çalışma Grubu, kutupsal doğrudan tahrikli nötron kaynaklarının verimini artırmaya yardımcı olabileceği ve nihai olarak doğrudan tahrik simülasyonları için lazer modellemenin geçerliliği hakkında veri sağlayabileceği için kuplajdaki gelişmeyi inceliyor.
Ekip, bu çalışma boyunca, atalet hapsi füzyon simülasyonu kod geliştiricilerinin elektron-iyon eşleşmesi için daha gelişmiş modeller uygulamasına da yardımcı oldu ve doğrudan tahrikli patlamaları modellemek, bu kod geliştirme ile yakından bağlantılıydı.
NIF, çeşitli Laboratuar ve astrofizik sistemleri için radyasyon-hidrodinamik modellemeyi doğrulamaya ve geliştirmeye yardımcı olan aşırı sıcak plazmalardaki verilere erişim sağlar. NIF’in ana hedeflerinden biri, laboratuvarda bir döteryum-trityum plazmasında ateşleme oluşturmak olmuştur, ancak bu amaca ulaşmak için deneyleri başarılı bir şekilde tasarlamak zor olmuştur. Bu deneylerin tasarımı, büyük ölçüde, bu sıcak plazmaların davranışı hakkında bir anlayışa ve varsayımlara dayanan bilgisayar modellerine dayanmaktadır.
Whitley, doktora sonrası atanmış olarak, ateşleme plazmalarının fiziğini incelemek için yüksek performanslı bilgi işlem kullanmayı amaçlayan bir Laboratuvar Yönlendirmeli Araştırma ve Geliştirme projesi olan Cimarron Projesi üzerinde çalıştı.
“Cimarron’un amacı, ateşleme deneyleri modellememizi geliştirmeye yardımcı olmak için mikroskobik düzeyde ısı ve kütle taşınımını tanımlayan yeni modeller geliştirmekti” dedi. “Bilgisayar modelleri üzerindeki çalışmaların ardından, yeni modellerimizi deneysel verilerle test etmek istedik ve PDXP platformunu dengede olmayan bir plazma oluşturmanın bir yolu olarak geliştirdik.”
Bu deneylerde iyonlar, lazerle oluşturulan çok güçlü bir şok yoluyla elektronlardan daha hızlı ısıtılır. Ekip, deney sırasında hem iyonların hem de elektronların sıcaklıklarını zamanın bir fonksiyonu olarak ölçmek için plazmadan belirli bir frekansta ne kadar ışık yayıldığının bir ölçüsü olan zamana bağlı spektroskopiyi kullanmayı amaçladı. Veriler, ekibin Cimarron Projesi’nin iyonların ve elektronların bir plazmada nasıl enerji alışverişi yaptığını tanımlayan bir parametre olan “elektron-iyon eşleşmesi” adı verilen bir şey için geliştirdiği modellerle doğrudan karşılaştırma yapmasını sağlayacaktır.
Deneyler, malzemelerin NIF’de nasıl performans gösterdiğini test ediyor
Makalenin yazarlarından Marilyn Schneider, “PDXP platformu, elektron-iyon dengesini incelemek için NIF’de geliştirildi, ancak diğer birçok kampanya için ideal bir nötron kaynağı haline geldi” dedi ve platformdaki ilk deneylere öncülük etti.
Schneider, “Bu platformun en büyük avantajı, basit olması – yakıtla dolu küresel kabuk – ve herhangi bir (ve tüm) NIF bağlantı noktasından çoklu tanılamanın veri almasına ve yüksek nötron verimi üretmesine izin vermesidir.” Dedi. “Bu araştırma, kabuğun bileşimine ve kalınlığına karşı teorik bir performans (nötron verimi) çalışması yaptı.”
LLNL fizikçisi Charles Yeamans, makalede açıklanan bazı alternatif ablatörleri kullanarak deneyler hazırlıyor. Çalışmanın çok karmaşık bir fizik hesaplamasında ilerlemenin belirli bir yolunu tanımladığını ve ardından bu metodolojiyi bir NIF deneyinde kullanıldığında farklı kapsül malzemelerinin nasıl performans gösterebileceğini tahmin etmek için uyguladığını söyledi.
Çalışma, LLNL fizikçisi Schneider ve Massachusetts Institute of Technology’den Maria Gatu Johnson tarafından plastik kapsüller üzerinde gerçekleştirilen önceki deneylerden elde edilen verilerin, kullanılan belirli yöntemlerin sistemi modellemede ve gözlemleri tahmin etmede neden en etkili olduğunu anlamak için nasıl kullanıldığını açıklıyor. Süreçteki bir sonraki adım, metodolojiyi farklı kapsül malzemelerine uygulamaya dayalı yeni tahminler yapmaktı.
“Daha yüksek verim gibi performansta özellikle yararlı bir gelişme öngören bu modellere dayalı yeni deneyler tasarlıyoruz veya içe doğru patlayan kapsülün yörüngesi veya nükleer yanık sıcaklığı gibi ölçülen bir miktarda büyük bir değişikliği öngören model” dedi. açıkladı. “Ardından, hesaplamanın performanstaki değişikliği tahmin etmede gerçekten başarılı olup olmadığını test etmek için NIF deneylerini yürütüyoruz.”
Rolünün, önceki NIF atış verilerini olduğu gibi anlamak, model tahminlerinin anlamını anlamak, bu iki bilgi kategorisini bir sonraki deney serisinin tasarımında sentezlemek ve bu deneyleri kullanıma hazır hale getirmek olduğunu söyledi.
2016’daki ilk tasarım, eser miktarda argon katkılı döteryum gazıyla doldurulmuş plastik bir kabuk veya ablatör kullandı. Spektroskopik ölçümde argon kullanıldı ve tasarım, ölçümleri uygulanabilir kılmak için elektronlar ve iyonlar arasında yeterli sıcaklık ayrımını sağladı.
Schneider ve Gatu Johnson tarafından yürütülen 2016-2017 çekimlerindeki patlamanın görüntüleri, plastik kabuğun patlamada çok çarpık olduğunu gösterdi. Kapsülü doğrudan vuran lazer ışınları, içe doğru patlayan kabuğa çok karmaşık bir yapı yazdırdı. Bu çekimlerin ardından Whitley ve ekibi, farklı bir ablatör malzemeye geçişin, ya artan döteryum basıncını sağlayarak ya da malzemenin lazerle etkileşimini geliştirerek daha simetrik bir patlamaya olanak sağlayabileceğini öne sürdü.
NIF deneyleri büyük ekipleri bir araya getiriyor
Whitley, projenin, ateşleme plazmaları için anlayış ve tahmine dayalı modelleme yeteneklerini geliştirmek için hem hesaplama kaynaklarını hem de deneysel platformları uygulamak için Laboratuar’ın akademi ile nasıl işbirliği yaptığının mükemmel bir örneği olduğunu söyledi.
Cimarron Projesi yöneticisi ve LLNL Yüksek Enerji Yoğunluğu Bilimi Merkezi başkanı Frank Graziani, PDXP platformunun ve ablatör malzemeleri kampanyasının LLNL, Lazer Enerjisi Laboratuvarı, Atomik Silahlar için tasarım, deney ve hesaplama uzmanlığını içeren uluslararası bir çaba olduğunu söyledi. Kuruluş, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley.
“Yüksek enerji yoğunluğu fizik rejiminde elektron-iyon eşleşmesi gibi plazma fiziği modellerinin doğrulanmasıyla ilgilenmeye devam ediyoruz” dedi. “PDXP platformu, gerekli koşulları yaratmamıza ve bunları teşhis etmemize izin vermede önemli bir adımdı. Platform ayrıca deneyler için değerli bir nötron kaynağı olduğunu kanıtladı.”
Referans: Heather D. Whitley, G. Elijah Kemp, Charles B. Yeamans, Zachary B. Walters, Brent E. Blue, Warren J. Garbett, Marilyn B. Schneider tarafından “Polar doğrudan tahrikli patlayan itici platform için ablatörlerin karşılaştırılması” , R. Stephen Craxton, Emma M. Garcia, Patrick W. McKenty, Maria Gatu-Johnson, Kyle Caspersen, John I. Castor, Markus Däne, C. Leland Ellison, Jim A. Gaffney, Frank R. Graziani, John E. Klepeis, Natalie B. Kostinski, Andrea L. Kritcher, Brandon Lahmann, Amy E. Lazicki, Hai P. Le, Richard A. London, Brian Maddox, Michelle C. Marshall, Madison E. Martin, Burkhard Militzer, Abbas Nikroo, Joseph Nilsen, Tadashi Ogitsu, John E. Pask, Jesse E. Pino, Michael S. Rubery, Ronnie Shepherd, Philip A. Sterne, Damian C. Swift, Lin Yang ve Shuai Zhang, 15 Şubat 2021, Yüksek Enerji Yoğunluğu Fizik.
DOI: 10.1016/j.hedp.2021.100928
LLNL’den ortak yazarlar arasında 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 ve LinYang . Atom Silahları Kuruluşundan ortak yazarlar arasında Warren Garbett ve Michael Rubery yer alıyor. Diğer ortak yazarlar arasında Laser Energetics Laboratuvarı’ndan Shuai Zhang, Emma Garcia, R. Stephen Craxton, Patrick McKenty; Massachusetts Teknoloji Enstitüsü, Plazma Bilimi ve Füzyon Merkezi’nden Maria Gatu Johnson ve Brandon Lahmann; ve Berkeley’deki California Üniversitesi’nden Burkhard Militzer.
.
Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN