Инженерите на Националната лаборатория за запалване (NIF) на Националната лаборатория Лорънс Ливърмор и инженерите от General Atomics са създали капсула за гориво с инерционно задържане (ICF) с пълнителна тръба с диаметър 2 микрона - и по пътя са намерили решение за „Мост на залива“ - като дилема, която би могла драстично да забави процеса на производство на NIF капсули.

тръби

Миналия месец NIF проведе първото изпитване на 2-микронна тръба, използвана за инжектиране на водородно гориво в целевата капсула. Малката тръба работи така, както е проектирана и намалява отпечатъка на 5- и 10-микронните тръби, за които е доказано, че причиняват проблеми при имплозии на NIF.

Тънките стъклени тръби също се вписват в капсули за гориво, направени с различна техника, наречена циклично налягане, което беше ново за това приложение. Това намали времето за производство от предвидените шест месеца на около два дни.

И двете подобрения са важни стъпки към постигането на мисията за управление на запасите на NIF. ICF е ключов аспект за гарантиране на безопасността, сигурността и надеждността на ядрените оръжия на страната.

„Сега ще видим колко по-добре става, когато направите тръбата за пълнене още по-малка“, заяви заместник-ръководителят на програмата Майкъл Стадерман. „Преминаването от 10 на 5 (в по-ранни експерименти) беше голямо подобрение в производителността.“

Запълващите тръби се използват за инжектиране на горивна смес от деутерий и тритий (DT) в сферична обвивка с размер на пипер на царевица, окачена в холраум. 192 високоенергийни лазерни лъча на NIF удрят вътрешните стени на холраума, генерирайки рентгенови лъчи, които предизвикват реакция на синтез, докато DT сместа се компресира в гореща точка, генерираща енергия.

Пертурбациите влошават производителността

Но изследователите по-рано чрез данни от изстрели и компютърни симулации установиха, че 10-микронни тръби за пълнене, макар че само около една шеста от средния диаметър на човешкия косъм, са фактор за смущения, които влошават ефективността на имплозията на NIF, особено при експерименти с диамантени аблационни черупки.

„В идеалния случай, когато правите експеримент на NIF, искате да имате безупречна кръгла обвивка, в която има гориво вътре“, каза Стадерман. „Всякакъв вид отклонение от перфектни води до смущения, което от своя страна може да намали количеството синтез, което можем да получим.“

Той обясни, че пълнещата тръба води до „малка загадка. Трябва да вкараме горивото вътре в капсулата, но в същото време, когато поставим пълнителна тръба, ние създаваме несъвършенство. "

Намаляването на ширината от 10 микрона на 5 микрона помогна. По-рано тази година NIF постигна общ добив на термоядрен неутрон от 1,9 × 1016 (19 квадрилиона), двойно предишния рекорд. Сложността на отслабването на тръбите за пълнене обаче увеличи времето за производство на капсули от около една седмица до около четири седмици.

Diamond Materials GmbH в Германия произвежда диамантени черупки, като покрива силициев дорник с въглерод с висока плътност. В General Atomics в Сан Диего, смес от азотна и флуороводородна киселина се инжектира през отвор, пробит за пълнещата тръба. Киселината ецва материала на дорника, като в крайна сметка остава само диамантената обвивка, която след това е прикрепена към пълнещата тръба, за да образува капсулни пълнителни тръбни възли.

При по-широки отвори за пълнене, разтвореният в киселина дорен ще излезе чрез дифузия през отвора в рамките на няколко дни. Преминаването към 5-микронни тръби за пълнене обаче изискваше по-малки дупки за пробиване с лазер, което увеличи времето за дифузия.

Стадерман сравнява забавянето със сутрешното пътуване до моста Сан Франциско-Оукланд Бей.

"Колкото по-тесен е този отвор, толкова по-трудно е да извадите разтворения дорник", каза той. „Това е като да имаш магистрала с осем ленти, която влиза в Сан Франциско и изведнъж я намалиш до четири ленти. Все още се опитвате да вкарвате същия брой коли в града всеки ден, така че ще имате задръстване и ще отнеме много повече време, за да влязат всички. "

Когато обмисляха по-тънка тръба преди около година, инженерите на LLNL и General Atomics направиха обезсърчително изчисление: Въз основа на експоненциалното увеличение на времето, свързано с преминаване от 10 микрона на 5 микрона, карането на капсулата да побере 2-микронна тръба може да отнеме толкова дълго, колкото шест месеца.

"Очевидно това беше непоносимо", каза Стадерман.

Инженерът на General Atomics Кейси Конг нарече задачата „доста обезсърчаваща“.

„Когато идеята за тръби с пълнеж от 2 микрона беше пусната наоколо, ние се пошегувахме, че всички ще се пенсионираме, докато една черупка приключи извличането“, каза той.

Колоездене под налягане

Неуспокоен, екипът на General Atomics - включително Нийл Райс и Уенди Суит - притисна напред. Конг каза, че идеята за колоездене под налягане идва от няколко души, включително ученият от лабораторията Том Браун, който показа видео, изобразяващо как налягането може да изкара течност в и извън черупката за различно приложение, свързано с NIF. Учените от LLNL Юрген Бинер и Том Бън помогнаха да подкрепят усилията на екипа на General Atomics.

При циклично налягане черупката се поставя в малък флакон в съда под налягане. Налягането се повишава до пет атмосфери, свивайки газовия балон, който се образува вътре от процеса на ецване и всмуквайки прясна киселина. След това съдът се освобождава от налягане, което разширява балона и изтласква нежелания дорнов материал. Цикълът се повтаря, докато останалият материал изтече.

„Успяхме да намалим този процес на офорт от шест месеца на няколко дни за отвора с 2 микрона, като същевременно съкратихме времето за пробиване на отвори с 5 микрона до по-малко от ден от около месец“, каза Стадерман.

Екипът също трябваше да гарантира, че крехките тръби с 2 микрона могат да бъдат направени и сглобени с капсулата. Порцията от 2 микрона на тръбата е дълга само около милиметър и се свързва с по-дълга част, която се стеснява отвъд капсулата с диаметър около 40 микрона.

Но продавачът, който е направил 5-микронната тръба, не може да достави по-тънка версия. Jay Crippen, инженерно производствено звено за General Atomics Inertial Fusion Technologies, работи с други доставчици, за да квалифицира нов източник.

Екипът също така трябваше да тества лепилото, което държи тръбата на място, докато горивото се изпомпва и криогенно замръзва, каза Крипен, който Стадерман похвали като „съветник за монтаж“.

В LLNL са сглобени две мишени с тръби за пълнене от 2 микрона, за да се гарантира, че ще оцелеят в процеса. Докато екипът усъвършенства процедурите за производство и обработка, членовете му са уверени, че процесът може да стане рутинен през следващата година.

„Знаехме, че ще има крива на обучение“, каза Крипен.