核诊断有助于为NIF惯性约束核聚变点火铺平道路

时间:2020-04-06 18:39 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

核诊断有助于为NIF惯性约束核聚变点火铺平道路

在其峰值,NIF惯性约束聚变(ICF)内爆持续约100万亿分之一秒。内爆的燃料直径只有百万分之一米,密度是铅的8倍。内爆胶囊的中心温度是太阳核心温度的几倍。

研究人员在世界上最大、能量最高的激光系统上实现核聚变点火的过程中面临的最大挑战之一,就是要对极端条件下核聚变内爆究竟发生了什么有一个清晰的认识。

为了帮助应对这一挑战,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)及其合作实验室和大学设计并建造了一套广泛的核诊断系统,其中包括十几种核诊断方法,更多的方法还在研发中。

LLNL的物理学家Dave Schlossberg说:“当你诊断内爆时,你需要知道关于内爆等离子体的一切。”

“核诊断套件试图处理不同的参数,你可以独立测量,”他说。“中子成像系统测量内爆的空间分布。中子飞行时间诊断法测量平均能量和漂移速度。反应历史测量的是相对于时间的放射量。通过收集这些信息,我们可以更好地了解内爆的情况。”

物理学家凯利·哈恩(Kelly Hahn)补充道:“一些诊断相互‘串音’。”他说:“有些网站提供不同的信息,有些网站有类似的信息,我们可以把这些信息综合起来,形成一幅更全面的画面。如果你想实现点火,核诊断是至关重要的。”

性能的线索

在提供线索内爆性能的关键因素是中子产量、离子(等离子体)温度和downscatter高能中子的数量之间的比率——和低能中子散射与燃料的氢的同位素,通过交互的燃料密度和分布的冷热点周围的燃料。

核诊断有助于为NIF惯性约束核聚变点火铺平道路

爆炸时间(描述内爆速度的中子发射峰值时间)和燃烧宽度(内爆产生中子的时间长度)也很重要。

所有这些参数和其他参数都由核诊断学进行评估。

核诊断小组组长阿拉斯泰尔·摩尔说:“基本上,核诊断是唯一真正测量燃料密度和温度的诊断方法。”“它们对于理解我们如何组装燃料以及我们离点火有多近是完全关键的。”

在NIF ICF的实验中,高达192道强大的激光束加热了一个被称为hohlraum的圆柱形x射线“烤箱”。x射线压缩了氢的同位素氘和氚(DT),这些同位素部分被冻结在一个悬浮在腔内的微型胶囊中。如果密度和温度足够高,持续时间足够长,燃料就会燃烧并产生一种自我维持的热核反应,这种反应通过燃料扩散并释放大量能量,主要以高能中子的形式出现。

内爆过程产生的温度和压力与在恒星、大行星和核爆炸中发现的温度和压力相似。NIF是美国国家核安全局(National Nuclear Security Administration,简称NIF)库存管理计划的关键组成部分,NIF实验推动了高能密度(HED)科学的科学研究,包括天体物理学、材料科学和ICF。

未知的未知

NIF的核诊断学的一个特殊价值是,它能够帮助回答研究人员甚至不知道他们已经知道的问题——科学家称之为“未知的未知”。

例如,最近,放置在目标室周围的四个中子飞行时间探测器阵列显示,内爆中心的微小热点正以每秒100公里的速度漂移,这是内爆不对称的迹象,是性能下降的主要原因。

核诊断有助于为NIF惯性约束核聚变点火铺平道路

“我们最初有两台光谱仪,”物理学家Ed Hartouni说,“再加上第三台光谱仪,我们就能看到运动并测量热点的漂移速度,这是完全没有料到的。”事实上,我们花了很长一段时间才接受这些探测器的解释。

他说:“他们揭示了内爆中发生的一些我们没有预料到、没有人预料到的事情。”“热点可以移动——这相当令人吃惊。”

摩尔说:“实际上,我们已经有第五个光谱仪投入使用,这将使我们能够更好地了解热点移动的原因是我们驱动它的方式是不对称的,还是因为太空舱是不对称的,或者是hohlraum是不对称的。”所有这些可能导致内爆性能不佳的故障模式都可以通过多个光谱仪直接诊断出来。”

这还不是全部。在一个协作由洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)中子成像小组,研究人员从LANL LLNL的实验室激光能量(米歇尔)罗切斯特大学最近添加第三个中子成像系统,NIS3,旨在提供一个三维图像显示的大小和形状的DT燃烧等离子体点火阶段内爆。

热点的大小和燃料的不对称性是由原始的,或高能的,中子的图像确定的,而冷燃料的区域密度,称为rho-R,是由下散射比推断出来的。面积密度是一个重要的因素,在最终配置的燃料获得点火和聚变燃烧。

LLNL的物理学家大卫·菲廷霍夫说:“随着NIF向更高的性能迈进,理解这些内爆的三维本质变得至关重要。”“根据之前的两条中子成象瞄准线(在目标室的赤道和北极),我们必须对内爆的对称性做出假设。

他说:“现在有了新的NIS3,我们有三条互相垂直的视线来重建融合等离子体的体积。”“一个类比可能是看到一个人的绘画和真正在他的雕塑周围走动的区别。”

除了改进中子成像,NIS3还提供了一条成像的视线,用于在内爆过程中目标胶囊材料中碳原子的聚变中子的非弹性散射所产生的伽马射线。这可以帮助研究人员确定胶囊材料与聚变燃料混合的数量和效果,聚变燃料是性能下降的已知来源。

核诊断有助于为NIF惯性约束核聚变点火铺平道路

另一个主要的诊断升级在2017年完成,在目标室周围的战略位置安装了48个实时中子激活探测器(RT-NADs)阵列。

早期的NADs,称为法兰NADs,是在非散射中子激活锆样品时起作用的。活化的样品被从容器中取出,活化水平由现场其他地方的核计数技术测定。实时NAD探测器的激活在现场被监测,提供了更好的非散射中子产率角分布的采样,具有更快的周转速度和明显更低的运行成本。

该系统提供了中子通量分布的近实时测定。它操作超过2到3个数量级的中子当量,提供精确到2%或更好的总当量估计值。

摩尔解释说:“爆炸室周围的中子产率是不同的,因为在爆炸的压缩核心有不同厚度的燃料。”“RT-NADs主要用于在太空舱爆炸时,判断燃料在热点区域的分布情况。”

负责RT-NADs系统的诊断物理学家Richard Bionta指出,与法兰NADs系统相比,“它的探测器数量是法兰NADs系统的两倍,灵敏度是法兰NADs系统的五倍”。“在旧的系统中,我们只有一个探测器。每20个puck被放置在探测器中,每次一个,因此需要5天时间才能通过。(RT-NADs)当然比我们过去的做法要好得多。”

“理查德花了两年多的时间来开发管理数据流的能力,”摩尔补充说。“你有48个探测器,每10分钟读取一次数据,产生tb级的数据。你试着去分析它,把照片重新拼在一起,看看到底发生了什么。”

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