[논문 리뷰] A cylindrical implosion platform for the study of highly magnetized plasmas at LMJ

G. Pérez-Callejo, C. Vlachos외 28명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 22.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 레이저 마이크로줄러(LMJ) 시설에서 레이저 구동 코ils 타겟을 사용하여 축방향 시드 자기장과 함께 고자기화된 플라즈마를 연구하기 위해 레이저 구동 원통형 압축 플랫폼을 제안한다. 시뮬레이션 결과, 5 T의 초기 자기장이 25 kT로 압축되어 전자들을 자화시키며, 핫스팟 온도는 1 keV에서 5 keV로 증가하고 밀도는 40 g/cm³에서 7 g/cm³로 감소한다. 공간 해상도가 있는 스펙트로스코피를 위한 双 Dopant(Ar 및 Kr)를 진단 수 Mittel로 제안한다.

ABSTRACT

Investigating the potential benefits of the use of magnetic fields in Inertial Confinement Fusion (ICF) experiments has given rise to new experimental platforms like the Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF) approach at the Z-machine (Sandia National Laboratories), or its laser-driven equivalent at OMEGA (Laboratory for Laser Energetics). Implementing these platforms at MJ-scale laser facilities, such as the Laser MegaJoule (LMJ) or the National Ignition Facility (NIF), is crucial to reaching self-sustained nuclear fusion and enlarges the level of magnetization that can be achieved through a higher compression. In this paper, we present a complete design of an experimental platform for magnetized implosions using cylindrical targets at LMJ. A seed magnetic field is generated along the axis of the cylinder using laser-driven coil targets, minimizing debris and increasing diagnostic access compared with pulsed power field generators. We present a comprehensive simulation study of the initial B-field generated with these coil targets, as well as 2-dimensional extended magneto-hydrodynamics (MHD) simulations showing that a 5T initial B-field is compressed up to 25kT during the implosion. Under these circumstances, the electrons become magnetized, which severely modifies the plasma conditions at stagnation. In particular, in the hot spot the electron temperature is increased (from 1keV to 5keV) while the density is reduced (from 40gcc to 7gcc). We discuss how these changes can be diagnosed using X-ray imaging and spectroscopy, and particle diagnostics. We propose the simultaneous use of two dopants in the fuel (Ar and Kr) to act as spectroscopic tracers. We show that this introduces an effective spatial resolution in the plasma which permits an unambiguous observation of the B-field effects. Additionally, we present a plan for future experiments of this kind at LMJ.

연구 동기 및 목표

• LMJ 규모 레이저 시설과 같은 곳에서 사용 가능한 확장 가능하고 진단에 유리한 자기화된 관성형 핵융합 연구 플랫폼을 개발하기 위해.
• 펄스 파워 기반 자기장 생성의 한계(예: 잔여물 및 선로 차단)를 극복하기 위해 레이저 구동 코일(LDC) 타겟을 사용함으로써.
• 플라즈마 압축을 통해 더 높은 자화 수준을 달성함으로써 더 높은 에너지 스케일에서 자기화된 ICF 물리학을 탐색할 수 있도록 하기 위해.
• 공간 해상도가 있는 스펙트로스코픽 진단을 위해 이중 도핑제(Ar 및 Kr)를 설계하여 플라즈마 내 자기장 영향을 명확히 관찰하기 위해.

제안 방법

• 레이저 구동 코일(LDC) 타겟을 사용하여 시드 축방향 자기장을 생성함으로써 잔여물 최소화 및 축방향 진단 접근성 유지.
• 2차원 확장된 자기유체역학(MHD) 시뮬레이션을 통해 압축 동역학과 자기장 증폭을 모델링함.
• 초기 5 T 시드 자기장이 압축 과정에서 25 kT로 압축되어 전자 자화를 달성함을 시뮬레이션함.
• 연료에 이중 도핑제(아르곤 및 크립톤)를 도입하여 공간 해상도가 있는 스펙트로스코픽 진단을 위한 추적자로 활용함.
• X선 영상 및 스펙트로스코피를 주요 진단 수 Mittel로 제안하여 온도, 밀도 및 자기장 영향 측정.
• 프로톤 굴절 및 게이팅된 X선 영상은 자기장 강도 및 공간 기울기를 검증하는 데 사용됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 구동 코일 타겟은 LMJ에서 자기화된 압축 연구에 필요한 안정적인 축방향 시드 자기장을 생성할 수 있는가?
• RQ2 자기장 압축이 초기 자기장을 얼마나 강하게 증폭시켜 압축 중 전자를 자화시킬 수 있는가?
• RQ3 자기화된 전자가 정지 상태에서 핫스팟 조건(특히 온도 및 밀도)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이중 도핑제(아르곤 및 크립톤)는 자기장 영향을 분리하기 위해 효과적인 공간 해상도를 제공할 수 있는가?
• RQ5 자기장 유도 플라즈마 변화 측정에 가장 효과적인 진단 구성(예: X선 영상, 스펙트로스코피, 입자 비임)은 무엇인가?

주요 결과

• 레이저 구동 코일 타겟을 통한 5 T 축방향 시드 자기장이 원통형 압축 과정에서 25 kT로 압축되어 전자 자화를 달성함.
• 전자 자화로 핫스팟 온도는 1 keV에서 5 keV로 증가하고 밀도는 40 g/cm³에서 7 g/cm³로 감소함.
• 이중 도핑제(아르곤 및 크립톤)의 사용으로 스펙트로스코픽 측정에서 효과적인 공간 해상도를 확보하여 자기장 영향을 명확히 감지할 수 있음.
• X선 영상 및 스펙트로스코피가 자기장 유도 플라즈마 조건 변화 관찰에 유망한 진단 도구로 입증됨.
• 프로톤 굴절 진단은 자기장 강도 및 기울기를 측정하기 위한 방법으로 제안되고 검증됨.
• 플랫폼 설계는 잔여물 최소화 및 축방향 선로 접근성 유지로 펄스 파워 시스템 대비 향상된 진단 접근성을 제공함.