Ein Forscherteam am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hat Fortschritte beim Verständnis und der Lösung des seit langem bestehenden „Antriebsdefizit“-Problems bei Experimenten zur indirekt angetriebenen Trägheitsfusion (ICF) erzielt. Diese Entdeckung könnte den Weg für genauere Vorhersagen und verbesserte Leistungen bei Fusionsenergieexperimenten an der National Ignition Facility (NIF) ebnen.
Die Ergebnisse des Teams sind veröffentlicht im Journal Körperliche Überprüfung E in dem Artikel mit dem Titel „Verständnis der Mängel bei ICF-Hohlraum-Röntgenflussvorhersagen anhand von Experimenten an der National Ignition Facility“. Die Studie unter der Leitung des Physikers Hui Chen, Tod Woods und eines Expertenteams am LLNL konzentrierte sich auf die Diskrepanzen zwischen vorhergesagten und gemessenen Röntgenflüssen in laserbeheizten Hohlräumen am NIF.
„Im Laufe der Jahre wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die physikalische Ursache des Strahlungsantriebsdefizits zu ermitteln“, sagte Chen. „Wir freuen uns über diese Entdeckung, da sie dazu beiträgt, ein jahrzehntelanges Rätsel in der ICF-Forschung zu lösen. Unsere Erkenntnisse weisen den Weg zu einer Verbesserung der Vorhersagefähigkeiten von Simulationen, was für den Erfolg zukünftiger Fusionsexperimente von entscheidender Bedeutung ist.“
Bei NIF-Experimenten verwenden Wissenschaftler ein Gerät namens „Hohlraum“ – etwa so groß wie ein Radiergummi –, um Laserenergie in Röntgenstrahlen umzuwandeln, die dann eine Brennstoffkapsel komprimieren, um eine Fusion zu erreichen.
Seit Jahren besteht das Problem, dass die vorhergesagte Röntgenenergie (Antrieb) höher ist als die in Experimenten gemessene. Dies führt dazu, dass der Zeitpunkt der maximalen Neutronenproduktion, die „Knallzeit“, in Simulationen etwa 400 Pikosekunden zu früh auftritt. Diese Diskrepanz ist als „Antriebsdefizit“ bekannt, da die Modellierer den Laserantrieb in den Simulationen künstlich reduzieren mussten, um ihn an die beobachtete Knallzeit anzupassen.
Die Forscher des LLNL stellten fest, dass die zur Vorhersage der Röntgenenergie verwendeten Modelle die vom Gold im Hohlraum in einem bestimmten Energiebereich emittierten Röntgenstrahlen überschätzten. Durch die Reduzierung der Röntgenabsorption und -emission in diesem Bereich reproduzieren die Modelle den beobachteten Röntgenfluss sowohl in diesem Energiebereich als auch im gesamten Röntgenantrieb besser und beseitigen so den größten Teil des Antriebsdefizits. Diese Reduzierung ist aufgrund von Unsicherheiten bei den Raten bestimmter atomarer Prozesse notwendig und zeigt, wo die Goldatommodelle verbessert werden müssen.
Durch die Verbesserung der Genauigkeit von strahlungshydrodynamischen Codes können Forscher die Leistung von Deuterium-Tritium-Brennstoffkapseln in Fusionsexperimenten besser vorhersagen und optimieren. Diese Anpassung trägt zur Verbesserung der Genauigkeit der Simulationen bei und ermöglicht eine genauere Gestaltung von ICF- und Hochenergiedichteexperimenten (HED) nach der Zündung. Sie ist von entscheidender Bedeutung für Skalierungsdiskussionen für Upgrades von NIF und für zukünftige Anlagen.
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Hui Chen et al., Verständnis der Mängel bei der Vorhersage des Röntgenflusses bei der Trägheitsfusion im Hohlraum durch Experimente an der National Ignition Facility, Körperliche Überprüfung E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.L013201