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劳伦斯·利弗莫尔的研究人员专注于热核聚变中的快速流动

2021-09-26 00:00:34 分享 来源:

想象一下,双手之间夹着一个气球,试图用同样的力挤压它,使它均匀地收缩。然而,如果你推的一侧比另一侧更用力,气球就不会均匀地压缩,事实上,气球会远离推得更用力的手。

当推动惯性约束聚变(ICF)胶囊的驱动力不平衡时,也会发生同样的情况——如果它在顶部的推动力大于在底部的推动力,那么胶囊将向下移动。这一运动削弱了加热胶囊和产生聚变的能量。一个短暂的飞跃是想象两个活塞代替手压缩气体。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的职员科学家戴夫·施罗斯伯格(Dave Schlossberg)就是这样解释激光驱动不对称的影响的。Schlossberg是《物理评论快报》最近发表的一篇论文的主要作者。

该团队在国家点火设施进行了实验,以调查“低模式”激光不对称性,这会显著降低性能。这项工作的结果导致了对这种从非常小的规模到最大规模的退化的详细理解。

“有了这方面的知识,就有可能减少不对称性并提高性能——这是最近完成的,”他说,并补充说,这是过去几年来一系列实验中的一个,这些实验旨在修复辐射损失、工程特性和烧蚀不对称性造成的退化。

表征测量

这项工作有四个主要发现,包括:不对称激光驱动的测量特征;仿真与实验的一致性;随着体等离子体运动的增加,表观离子温度的多普勒展宽定量;并将观察到的、受驱动的热点流与宏观输入参数联系起来。

他解释说:“在实验科学中,我们只知道我们能测量什么——因此首先,我们需要描述显示这些内爆受到激光驱动不对称影响的测量结果。”。“自然的下一步是将这些测量值与模型进行比较,看看他们是否同意,他们确实同意了。”

氘-氚聚变的一个产物是中子,在质心坐标系中以51234 km/s的速度移动,这大约是光速的17%。如果产生这些中子的等离子体也以一定的速度运动,那么这个速度就会加到中子上。研究小组表明,这种中子速度的微小变化与测量的飞行时间中子谱的展宽直接相关。

他建议说:“可以把它看作是测量从枪中发射的子弹的到达时间,子弹代表中子。”。“如果你是一名精确的神枪手,每次发射一颗子弹时,他都站着一动不动,它会在完全相同的时间到达目标。但是,现在假设你正在奔跑和发射,那么一些子弹会很快到达,而另一些则会很晚到达,这取决于你每次发射时移动的速度。”

Schlossberg说,在内爆、聚变的等离子体中也存在同样的情况,它在移动时产生中子。中子飞行时间诊断精确测量中子到达时间,并将其与等离子体的内能联系起来。如果由于等离子体在移动,在到达时间上有额外的扩散,这是推断等离子体热温度时的一个重要考虑因素。这项工作描述了由于氘氚速度的变化,表观离子温度是如何升高的。

熔融等离子体中的映射流

这项工作的最终发现是直接测量聚变热点内流动的氘氚离子。

Schlossberg承认:“在这里,我们有点幸运,因为一些用于对胶囊进行掺杂的钨被注入到热等离子体中,并在X射线范围内明亮地发光。”。

它充当这些内部流动的示踪粒子。通过追踪示踪粒子随时间的运动,研究小组绘制出了等离子体熔合时的流线图。这一点很重要,因为这些流动是表观温度升高的原因,并且显示了两次测量之间的一致性。

研究小组利用这种测量方法将微观热点内的流动与宏观激光驱动中的不对称性联系起来。当它们平衡激光驱动时,这些流动消失了(见平衡跟踪)● 在图中)。这些发现结合起来提供了对激光驱动不对称性对内爆性能影响的全面理解,并显示了实验、模拟和理论的一致性。这为今后的工作提供了信心,以确定和减少激光驱动器中的这些不对称性,从而提高整体性能。

Schlossberg说:“当我们在第一次拍摄后不久看到初步的时间分辨X射线成像时,我们立即产生了兴趣——一些引人注目的东西出现了,最终是示踪粒子在热点中的时间分辨运动。”。“这种物质以光速的0.1%通过物质,密度是固体物质的10倍。”

Schlossberg表示:“这确实是一个团队的努力,我很高兴也很谦卑能成为这样一个伟大团队的一员。”他补充说,这项工作是由NIF科学家和工程师组成的团队完成的,他们跨越了处理数据分析、目标制造、操作和诊断的各个小组。

除施罗斯伯格外,合著者还包括:加里·格里姆、丹·凯西、阿拉斯泰尔·摩尔、瑞安·诺拉、本·巴赫曼、劳拉·罗宾·贝内代蒂、理查德·比奥塔、马克·埃卡特、约翰·菲尔德、大卫·菲廷戈夫、爱德华·哈图尼、罗伯特·哈塔里克、沃伦·辛、伦纳德·查尔斯·雅罗特、沙哈布·汗、奥托·兰登、布莱恩·麦克戈万、安德鲁·麦金农、大卫·芒罗、,来自LLNL的Sabrina Nagel、Art Pak、Prav Patel、Brian Spears和Chris Young;麻省理工学院的玛丽亚·加图·约翰逊;洛斯阿拉莫斯国家实验室的Verena Geppert Kleinrath和Kevin Meaney;通用原子公司的约瑟夫·基尔肯尼。


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