Una nueva investigación de la Universidad de Rochester mejorará la precisión de los modelos de computadora utilizados en simulaciones de implosiones impulsadas por láser. La investigación, publicada en la revista Física de la naturaleza , aborda uno de los desafíos en la larga búsqueda de los científicos para lograr la fusión.
En los experimentos de fusión por confinamiento inercial impulsado por láser ICF, como los experimentos realizados en el Laboratorio de Energética Láser LLE de la Universidad de Rochester, haces cortos que consisten en pulsos intensos de luz pulsos que duran solo mil millonésimas de segundo- entregar energía al calor y comprimir un objetivo de celdas de combustible de hidrógeno. Idealmente, este proceso liberaría más energía que la utilizada para calentar el sistema.
Los experimentos de ICF con láser requieren que muchos rayos láser se propaguen a través de un plasma, una sopa caliente de electrones e iones que se mueven libremente para depositar su energía de radiación precisamente en su objetivo deseado. Pero, a medida que los rayos lo hacen, interactúancon el plasma de formas que pueden complicar el resultado deseado.
"ICF necesariamente genera entornos en los que muchos rayos láser se superponen en un plasma caliente que rodea el objetivo, y se ha reconocido durante muchos años que los rayos láser pueden interactuar e intercambiar energía", dice David Turnbull, un científico de LLE y el primeroautor del artículo
Para modelar con precisión esta interacción, los científicos necesitan saber exactamente cómo interactúa la energía del rayo láser con el plasma. Si bien los investigadores han ofrecido teorías sobre las formas en que los rayos láser alteran un plasma, nunca antes se había demostrado experimentalmente.
Ahora, los investigadores del LLE, junto con sus colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California y el Centro Nacional de Investigación Científica en Francia, han demostrado directamente por primera vez cómo los rayos láser modifican las condiciones del plasma subyacente, ena su vez afecta la transferencia de energía en experimentos de fusión.
"Los resultados son una gran demostración de la innovación en el Laboratorio y la importancia de construir una sólida comprensión de las inestabilidades de plasma láser para el programa nacional de fusión", dice Michael Campbell, director de la LLE.
USO DE SUPERCOMPUTADORAS PARA MODELAR FUSION
Los investigadores a menudo usan supercomputadoras para estudiar las implosiones involucradas en los experimentos de fusión. Por lo tanto, es importante que estos modelos informáticos representen con precisión los procesos físicos involucrados, incluido el intercambio de energía de los rayos láser al plasma y eventualmente al objetivo.
Durante la última década, los investigadores han utilizado modelos informáticos que describen la interacción mutua del rayo láser involucrada en los experimentos de fusión impulsados por láser. Sin embargo, los modelos generalmente han asumido que la energía de los rayos láser interactúa en un tipo de equilibrio conocido como distribución Maxwelliana- un equilibrio que cabría esperar en el intercambio cuando no hay láseres.
"Pero, por supuesto, los láseres están presentes", dice Dustin Froula, científico senior de la LLE.
Froula señala que los científicos predijeron hace casi 40 años que los láseres alteran las condiciones plasmáticas subyacentes de manera importante. En 1980, se presentó una teoría que predijo estas funciones de distribución no maxwellianas en los plasmas láser debido al calentamiento preferencial de electrones lentos por elrayos láser. En los años siguientes, el graduado de Rochester Bedros Afeyan '89 PhD predijo que el efecto de estas funciones de distribución de electrones no Maxwellianas cambiaría la forma en que se transfiere la energía láser entre los rayos.
Pero a falta de evidencia experimental para verificar esa predicción, los investigadores no la tomaron en cuenta en sus simulaciones.
Turnbull, Froula, y el estudiante graduado de física y astronomía Avram Milder realizó experimentos en el Centro de láser Omega en el LLE para realizar mediciones muy detalladas de los plasmas calentados con láser. Los resultados de estos experimentos muestran por primera vez que la distribución deLas energías de los electrones en un plasma se ven afectadas por su interacción con la radiación láser y los modelos prevalecientes ya no pueden describirlas con precisión.
La nueva investigación no solo valida una teoría de larga data, sino que también muestra que la interacción láser-plasma modifica fuertemente la transferencia de energía.
"Nuevos modelos en línea que explican mejor las condiciones subyacentes del plasma están actualmente en desarrollo, lo que debería mejorar la capacidad predictiva de las simulaciones de implosión integradas", dice Turnbull.
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Materiales proporcionado por Universidad de Rochester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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