[論文レビュー] A preliminary assessment of the sensitivity of uniaxially-driven fusion targets to flux-limited thermal conduction modeling

D. A. Chapman, James Pecover+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 92被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、一軸方向駆動による慣性核融合ターゲットのフラックス制限熱伝導モデルに対する感受応性を調査し、イオンおよび電子の熱輸送に注目する。高精度なシミュレーションを用いて、イオン熱フラックスのモデル化、特にセル面平均化スキームとフラックスリミッター係数が性能変動を支配していることが判明した。一方、電子伝導は局所的拡散によって良好に記述される。主な結果として、非局所的状態における物質界面でのイオン輸送が中性子生成に顕著に影響することが示され、しかしシミュレーションは依然として実験的中性子生成率を1桁以上も低く予測している。

ABSTRACT

The role of flux-limited thermal conduction on the fusion performance of the uniaxially-driven targets studied by Derentowicz et al.; Jour. Tech. Phys. 18, 465 (1977) and Jour. Tech. Phys. 25, 135 (1977), is explored as part of a wider effort to understand and quantify uncertainties in ICF systems sharing similarities with First Light Fusion's projectile-driven concept. We examine the role of uncertainties in plasma microphysics and different choices for the numerical implementation of the conduction operator on simple metrics encapsulating the target performance. The results indicate that choices which affect the description of ionic heat flow between the heated fusion fuel and the gold anvil used to contain it are the most important. The electronic contribution is found to be robustly described by local diffusion. The sensitivities found suggest a prevalent role for quasi-nonlocal ionic transport, especially in the treatment of conduction across material interfaces with strong gradients in temperature and conductivity. We note that none of the simulations produce neutron yields which substantiate those reported by Derentowicz et al. Jour. Tech. Phys. 25, 135 (1977), leaving open future studies aimed at more fully understanding this class of ICF systems.

研究の動機と目的

• 一軸方向駆動ターゲットにおけるフラックス制限熱伝導モデルの影響が核融合性能に与える影響を評価すること。
• 特にイオン的・電子的寄与の観点から、熱伝導モデル化における最も影響力のある不確実性を同定すること。
• 補間スキームやフラックスリミッター係数などの数値実装選択が、ターゲットダイナミクスおよび中性子出力に与える影響を評価すること。
• シミュレーションで予測される中性子出力が、Derentowiczらの実験報告値と比較して1桁以上も低くなる理由を調査すること。

提案手法

• 高時間分解能の時間依存プロファイルに基づく厳密に収束した基準ケースを用いて、Hytracコードによるシミュレーションを実施した。
• WDMパラメータを用いて熱伝導モデルに一様および局所的なスケーリング要因を適用することで、不確実性が大きい領域を特定する感受応性研究を実施した。
• 不均質な物質界面におけるセル面輸送係数の評価に、算術平均と調和平均の異なる補間スキームをテストした。
• イオンおよび電子のフラックスリミッター係数（αiおよびαe）を調整することで、フラックス制限伝導モデルを変更し、熱フラックスおよび核融合出力への影響を評価した。
• 初期キャビティ収縮ダイナミクスおよび中性子放出エネルギー特性を捉える3つの簡単な指標を用いて、性能を定量化した。
• 温度および熱伝導度に急激な勾配を示すゴールドアンビル–重水素–プラスチックカバーガラス界面に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラックス制限伝導作用素の異なる実装方法が、一軸方向駆動ターゲットにおける核融合出力にどのように影響するか？
• RQ2 ターゲット性能に対する不確実性の影響は、イオン的熱伝導と電子的熱伝導のどちらに顕著か？
• RQ3 セル面輸送係数の補間スキームが熱フラックスおよび中性子放出に与える影響は？
• RQ4 なぜシミュレーションはDerentowiczらの実験的報告値と比較して、中性子出力を一貫して低く予測するのか？
• RQ5 非局所的イオン輸送効果が、主なリバーブレーションフェーズのダイナミクスをどれほど支配するのか？

主な発見

• セル面平均化スキームの選択が顕著な影響を与える：算術平均ではなく調和平均を用いることで、界面におけるイオン熱フラックスが増加し、予測される中性子出力が著しく上昇する。
• イオンフラックスリミッター係数をαi = 0.5からαi ≤ 0.05に低下させると、より高温のリバーブレーション状態となり、強い単一中性子フラッシュが発生する。これは、イオン輸送が非局所的モデリングに極めて感受応性であることを示している。
• 電子熱伝導は局所的拡散によって安定的に記述可能である。電子フラックスリミッターを極端に低減（αe ∼ 0.01）しても結果が変化するが、このような値は実験的または高度なシミュレーションによって裏付けられていない。
• WDMパラメータを用いた輸送モデルの局所的スケーリングでは感受応性がほとんど認められず、燃料は極端な圧縮下でも理想状態に近いまま保たれている。
• 基準モデルのいずれの単一の変更でも、中性子出力を1桁以上上昇させることはできず、実験的出力と一致させるには複数の物理的効果の組み合わせが必要である可能性を示唆している。
• 結果から、時間分解能診断による電子およびイオン温度が利用可能な場合、これらのターゲットは準非局所的イオン輸送を実験的にプローブするプラットフォームとして有効である可能性が示唆される。