Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e do Laboratório de Laser Energética (LLE) estão trabalhando para melhorar as fontes de nêutrons de direção direta polar (PDD) no National Ignition Facility (NIF), o laser mais energético do mundo.
As fontes de nêutrons PDD são cápsulas preenchidas com gás deutério-trítio (DT) à temperatura ambiente e disparadas com pulsos de laser robustos que não requerem controle de contraste de potência de laser rigoroso ou precisão de potência. Essas fontes são mais eficientes em termos de tempo e recursos para o campo no NIF do que as fontes convencionais de acionamento indireto que requerem camadas criogênicas de alta qualidade de gelo DT. Além disso, uma carga menor de detritos de alvo gerados permite que experimentos de efeitos de radiação de nêutrons se posicionem muito mais perto do alvo, criando um campo de radiação de nêutrons mais forte para teste.
A equipe melhorou substancialmente a saída total de fusão e a eficiência de conversão de energia de laser em fusão para PDD. A equipe também desenvolveu um empurrador de explosão PDD, ou PDXP, plataforma que permitiu o teste de efeitos de radiação de amostras recuperáveis em níveis de fluência de nêutrons recordes de 14 MeV (Mega elétron-volt).
“Por mais de um ano e meio após o sucesso experimental inicial, este projeto de PDD foi a maneira mais eficiente existente para converter a entrada de energia do laser em saída de fusão”, disse Charles Yeamans, líder da equipe e primeiro autor de um artigo publicado em Fusão nuclear. Os co-autores incluem Elijah Kemp, Zach Walters, Heather Whitley e Brent Blue do LLNL, e Steve Craxton, Patrick McKenty, Emma Garcia e Yujia Yang do LLE.
“Disparar lasers realmente grandes pode estimular reações de fusão como o que acontece no sol e outras estrelas e terrestre no núcleo de uma detonação nuclear”, disse Yeamans. “Queremos estudar como os intensos campos de radiação gerados pela fusão afetam materiais, eletrônicos e sistemas de engenharia como satélites e aviões. No NIF, somos capazes de controlar e posicionar nossos objetos de teste próximos a essa fonte.”
Além disso, plataformas semelhantes de cápsula de unidade direta têm muitos aplicativos no NIF. Com diferentes preenchimentos de gás, eles podem ser usados para estudos de reações nucleares de interesse para a astrofísica e como fonte de prótons para iluminação pontual. Eles também têm sido usados para produzir pulsos curtos de raios-X contínuos de alto brilho para estudos estendidos da estrutura fina de absorção de raios-X (EXAFS) e para medições de opacidade. Além disso, eles têm sido usados para fazer grandes plasmas comprimidos para estudos de transferência de energia de elétron-íon.
“No geral, um projeto de fonte de nêutrons NIF melhor nos permite conduzir melhores testes de efeitos de radiação em maior número do que se dependêssemos apenas dos experimentos NIF convencionais”, disse ele.
Yeamans disse que o trabalho desenvolveu uma adição valiosa à capacidade geral de teste experimental de efeitos de radiação para o laboratório. “Ele também desenvolveu a capacidade de modelagem e simulação para entender e melhorar o projeto da fonte de nêutrons”, disse ele. “Com este trabalho, podemos cumprir melhor essa responsabilidade agora e no futuro.”
Sucesso da equipe
O trabalho foi conduzido por uma equipe de designers – cientistas que executam códigos de computador que fazem cálculos físicos complicados – e experimentalistas – engenheiros que entendem e operam o maior laser do mundo e que determinam a melhor maneira de testar na prática o que funciona na simulação.
Vários dos membros da equipe trabalham em ambas as funções, e outros se especializam como designers ou experimentalistas com base nas necessidades da equipe de pesquisa. Dezesseis dias de tempo experimental NIF espalhados por mais de cinco anos foram incluídos no esforço de desenvolvimento da fonte, com os três projetos de melhor desempenho, cada um realizado durante um dia de tiro em 2019, selecionados para discussão detalhada na publicação, disse Yeamans.
Heather Whitley, diretora de programa associada para Ciência de Densidade de Alta Energia no LLNL, desenvolveu o projeto inicial para uma cápsula de transmissão direta polar de grande diâmetro com Craxton e Garcia da LLE e Warren Garbett do Estabelecimento de Armas Atômicas do Reino Unido.
“Esta plataforma é importante porque fornece alta fluência de nêutrons e permite o posicionamento próximo de amostras perto da fonte para experimentos de sobrevivência”, disse Whitley. “A configuração da unidade direta polar também fornece excelente acesso de diagnóstico para outros experimentos de física de plasma de alta temperatura.”
Craxton do LLE ajudou a conduzir o trabalho dos alunos de graduação Garcia e Yang e disse que a participação dos alunos tem sido importante para esse trabalho. Cada aluno foi responsável pelo cálculo do feixe de laser otimizado que aponta para a implosão uniforme de um diâmetro específico da cápsula. Esta otimização é complicada pelos ângulos de entrada do feixe NIF sendo otimizados para acionar um alvo cilíndrico hohlraum. McKenty trabalhou em estreita colaboração com Craxton e o resto da equipe para determinar a forma ideal do pulso de laser.
“Passamos por uma série de experimentos ao longo de muitos anos, primeiro para produzir nêutrons para testar o diagnóstico de nêutrons do NIF enquanto o NIF estava sendo comissionado”, disse Craxton. “Esses experimentos evoluíram para atender às necessidades de uma ampla variedade de aplicações, com os maiores alvos produzindo os altos rendimentos necessários para os experimentos de efeitos.”
Fundamental para o sucesso deste esforço foi a fabricação e desenvolvimento de protocolos de teste adequados para obter dados-chave para a prescrição de pressões de campo seguras dessas cápsulas grandes (2-5 milímetros de diâmetro) e de parede fina (aproximadamente 10-30 micrômetros), que são mais suscetível a estourar. Isso foi feito pela equipe de fabricação de alvos principalmente na General Atomics (GA) em San Diego, trabalhando em estreita colaboração com a equipe de fabricação de alvos do LLNL, bem como a equipe de física mencionada acima. Claudia Shuldberg e sua equipe lideraram o trabalho na GA, enquanto Bill Saied e Kelly Youngblood lideraram o esforço de engenharia de fabricação alvo na LLNL.
Publicado em 24/04/2021 08h48
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