Notiziario CASC

May 09, 2024

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Contatto: Jeff Hittinger

All’una di notte del 5 dicembre 2022, la National Ignition Facility (NIF) ha fatto un passo avanti significativo: il confinamento inerziale di un bersaglio compresso era appena sufficiente per avviare l’incendio termonucleare. Per la prima volta, l’umanità ha ottenuto un vantaggio netto da una reazione di fusione controllata all’interno di un laboratorio; i laser hanno erogato 2,05 MJ di energia, risultando in 3,15 MJ di produzione di energia di fusione. Questo risultato, ottenuto in un batter d’occhio (decine di nanosecondi), è stato il risultato di oltre due decenni di lavoro sul NIF, sessant’anni dopo che John Nuckolls aveva concepito la possibilità della fusione a confinamento inerziale (ICF) guidata dal laser. Ci congratuliamo con i nostri attuali ed ex colleghi del Lab per questo straordinario risultato.

Naturalmente anche la stessa CASC ha motivo di festeggiare questo successo. CASC e NIF sono una sorta di fratelli, entrambi iniziano a un anno di distanza l'uno dall'altro negli anni '90. Pertanto, non dovrebbe sorprendere che i problemi impegnativi dell’ICF siano stati al centro della ricerca nel CASC per tutta la sua esistenza. Nel corso degli anni, i ricercatori del CASC hanno avuto un impatto sia diretto che indiretto sul programma NIF, dall’essere profondamente coinvolti nella progettazione dei bersagli di accensione (Jose Milovich) all’aiutare le operazioni NIF a gestire in modo più efficace la pianificazione dei colpi (Claudio Santiago). In questa edizione della newsletter CASC, evidenziamo altri cinque esempi dei numerosi contributi del CASC agli sforzi per rendere possibile la fusione controllata in laboratorio.

Per più di due decenni, i ricercatori del CASC hanno collaborato con i fisici computazionali nel programma Weapons Simulations and Computing (WSC) all’interno di Weapons and Complex Integration (WCI) per creare nuove capacità di simulazione per comprendere i complessi processi multifisici coinvolti nell’ICF. In questo numero presentiamo una retrospettiva di Milo Dorr su alcuni di questi sforzi per affrontare le interazioni laser-plasma. Sottolineiamo inoltre l’importante ruolo dello scienziato computazionale CASC Nathan Masters alla guida del gruppo di lavoro NIF Debris & Shrapnel, che utilizza sofisticati codici WSC per analizzare la produzione e le traiettorie di frammenti che potrebbero danneggiare le costose ottiche NIF. Per molti anni, diversi membri del CASC, tra cui Gary Kerbel (in pensione), Britton Chang (in pensione) e ora Milan Holec, hanno contribuito a sviluppare il codice di idrodinamica delle radiazioni HYDRA del WSC per la fisica dell'hohlraum1, e presentiamo un breve articolo sul recente lavoro di Milan su un nuovo algoritmo di trasporto deterministico. Nelle scienze dei dati, questo numero presenta i metodi di analisi dei dati topologici, sviluppati da Timo Bremer e Shusen Liu, che hanno fornito nuove intuizioni sulla struttura ad alta dimensione dei dati NIF. Infine, presentiamo un approccio basato sui dati sviluppato da Ghaleb Abdulla in collaborazione con gli scienziati del NIF per prevedere la crescita di inclusioni e danni nell'ottica NIF ai fini della pianificazione della manutenzione basata sui dati.

1Nell'ICF a trasmissione indiretta, l'hohlraum è il piccolo cilindro metallico che funge da forno a raggi X per la goccia di carburante racchiusa.

Contatto: Milo Dorr

Per garantire che l'energia trasportata nei 192 fasci del NIF arrivi sul bersaglio come previsto durante un colpo di accensione come quello dello scorso dicembre, è essenziale tenere conto delle interazioni del fascio con il plasma generato dalla capsula bersaglio ablativa. L'interazione laser-plasma (LPI) è quindi un argomento importante nello spazio di progettazione della fusione a confinamento inerziale e la simulazione LPI nel contesto NIF è un compito computazionalmente arduo.

La simulazione LPI al NIF richiede una risoluzione su scala di lunghezza d'onda in fasci multipli ciascuno di migliaia di lunghezze d'onda su scale temporali di impulsi laser di 10 ns. Anche se potrebbe sembrare un tempo limitato per la simulazione, richiede molta precisione. Tale risoluzione spaziale su scala micrometrica deve essere combinata con le velocità della velocità della luce in un hohlraum lungo 10 mm contenente la capsula bersaglio.

Per molti anni, il codice pF3D è stato lo strumento di modellazione LPI principale per NIF, sviluppato e gestito dall'High Energy Density-ICF Physics & Design Group nella divisione WCI Design Physics. Motivati ​​dalle sfide algoritmiche e dall'opportunità di supportare un importante programma di laboratorio, i ricercatori CASC, guidati da Milo Dorr, hanno iniziato a collaborare con il team pF3D nei primi giorni del NIF per studiare algoritmi numerici per migliorare l'efficienza e l'accuratezza delle simulazioni LPI. Ciò ha portato allo sviluppo di un pacchetto idrodinamico multi-specie non lineare basato su un metodo Godunov ad alta risoluzione e di un pacchetto di trasporto degli elettroni Spitzer-Härm che incorpora il raffinamento della mesh e un solutore multigriglia personalizzato [1]. Implementati in pF3D, questi miglioramenti algoritmici sono stati utilizzati per eseguire simulazioni di LPI in esperimenti su gasdotti condotti come parte della campagna NIF Early Light (NEL) utilizzando il primo fascio quad installato nella nuova struttura. I confronti dei risultati calcolati con le misurazioni NIF dell'effetto di varie strategie di livellamento del fascio sulla propagazione del laser (Figura 1) sono stati inclusi nella prima pubblicazione in assoluto del NIF su Nature Physics [2].