[논문 리뷰] Experiments conducted in the burning plasma regime with inertial fusion implosions

Jeffrey S. Ross, J. E. Ralph외 150명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 08.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 55인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 내부 폭발 힘의 연소 플라즈마 제도에 대한 첫 실험적 성취를 보고한다. 이는 National Ignition Facility(NIF)에서 압축 압력에 의해 공급된 에너지보다 높은 핵융합 알파-가열이 발생한 것이다. 고밀도 탄소 캡슐의 크기를 늘리고 레이저 콘 에너지 전달 및 홀라룸 형상 최적화를 통해 복사 대칭성을 제어함으로써, 팀은 기록적인 100 kJ 이상의 핵융합 중성자 수확과 1 PW 이상의순간적 핵융합 출력을 달성하였다.

ABSTRACT

An experimental program is currently underway at the National Ignition Facility (NIF) to compress deuterium and tritium (DT) fuel to densities and temperatures sufficient to achieve fusion and energy gain. The primary approach being investigated is indirect drive inertial confinement fusion (ICF), where a high-Z radiation cavity (a hohlraum) is heated by lasers, converting the incident energy into x-ray radiation which in turn drives the DT fuel filled capsule causing it to implode. Previous experiments reported DT fuel gain exceeding unity [O.A. Hurricane et al., Nature 506, 343 (2014)] and then exceeding the kinetic energy of the imploding fuel [S. Le Pape et al., Phys. Rev. Lett. 120, 245003 (2018)]. We report on recent experiments that have achieved record fusion neutron yields on NIF, greater than 100 kJ with momentary fusion powers exceeding 1PW, and have for the first time entered the burning plasma regime where fusion alpha-heating of the fuel exceeds the energy delivered to the fuel via compression. This was accomplished by increasing the size of the high-density carbon (HDC) capsule, increasing energy coupling, while controlling symmetry and implosion design parameters. Two tactics were successful in controlling the radiation flux symmetry and therefore the implosion symmetry: transferring energy between laser cones via plasma waves, and changing the shape of the hohlraum. In conducting these experiments, we controlled for known sources of degradation. Herein we show how these experiments were performed to produce record performance, and demonstrate the data fidelity leading us to conclude that these shots have entered the burning plasma regime.

연구 동기 및 목표

• 압축에 의해 공급된 에너지보다 연료의 알파-가열이 높은 관성 핵융합의 연소 플라즈마 제도에 진입하는 것을 달성하기 위해.
• 고밀도 탄소(HDC) 캡슐의 크기를 10–15% 증가시켜 이전 기록을 초월하는 핵융합 에너지 수확을 높이기 위해.
• 레이저 콘 에너지 전달과 홀라룸 형상 변경을 통해 복사 구동 대칭성 제어 및 압축 비대칭성, 특히 극 모드 2(P2)를 줄이기 위해.
• 고정밀 진단 및 시뮬레이션을 통해 실험 성능을 검증하고 연료 내 자가가열의 발생을 확인하기 위해.

제안 방법

• 192개의 NIF 레이저 빔(351 nm 파장)로 가열된 홀라룸을 사용한 간접 구속 관성 핵융합을 수행하여 X선 복사 방사열을 생성하였다.
• HDC 캡슐의 내부 반지름을 약 910–950 μm에서 1000–1050 μm로 증가시켜 에너지 결합 효율성과 캡슐 에너지(Ecap)를 30–40% 향상시켰다.
• 플라즈마 파동을 통한 레이저 콘 에너지 전달을 적용하여 복사 구동의 대칭성을 향상시켰고, P2 비대칭성을 감소시켰다.
• 홀라룸 기하구조를 변경하여 복사 플럭스 대칭성 제어 및 압축 균일성 향상에 기여하였다.
• 시간 해상도가 높은 X선 프레임 카메라, 중성자 시간 도래 진단 장치, 핵분광계를 적용하여 핵융합 수확 및 핫스팟 조건을 측정하였다.
• 3D 복사-유체역학 시뮬레이션(HYDRA, Cretin)과 1D 핫스팟 모델을 사용하여 성능를 검증하고 에너지 균형을 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간접 구속 ICF에서 더 큰 캡슐이 충분한 에너지 결합을 달성하여 연소 플라즈마 제도에 진입할 수 있는가?
• RQ2 레이저 콘 에너지 전달과 홀라룸 형상 최적화가 P2 비대칭성과 압축 대칭성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 최적화된 압축 조건 하에서 얻을 수 있는 최대 핵융합 중성자 수확과 순간적 핵융합 출력은 얼마인가?
• RQ4 측정된 핵융합 에너지 이득이 알파-가열이 압축에 의해 공급된 에너지를 초월한다는 것을 확인하는가?
• RQ5 실험 진단 및 시뮬레이션은 자가유지 핵융합 연소의 발생을 어떻게 검증하는가?

주요 결과

• 실험은 관성 핵융합에서 기록적인 100 kJ 이상의 핵융합 중성자 수확을 달성하였으며, 이는 관성 핵융합 분야에서 이전까지 보고된 바가 없는 최고 수준이다.
• 순간적 핵융합 출력은 1 PW를 초과하여 연소 단계 동안 극도로 높은 에너지 집중을 나타내었다.
• 이번 실험에서 처음으로 연료의 핵융합 알파-가열이 압축에 의해 공급된 에너지를 초월하는 것이 관측되었으며, 이는 연소 플라즈마 제도에 진입한 것을 확인한 것이다.
• 1000–1050 μm의 내부 반지름을 가진 HDC 캡슐은 이전 실험 대비 에너지 결합 효율성을 30–40% 향상시켜 더 높은 수확과 개선된 에너지 균형을 가능케 하였다.
• 레이저 콘 에너지 전달과 홀라룸 형상 변경이 성공적으로 P2 비대칭성을 감소시켜 압축 대칭성과 성능을 향상시켰다.
• 고정밀 진단 및 시뮬레이션을 통해 데이터 일관성이 확인되었으며, 시스템이 자가유지 핵융합 연소에 진입했다는 결론을 검증하였다.