Bulletin de l'ACCS

May 09, 2024

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Contact: Jeff Hittinger

Le 5 décembre 2022, à 1 heure du matin, la National Ignition Facility (NIF) a réalisé une avancée significative : le confinement inertiel d’une cible comprimée était juste suffisant pour initier une combustion thermonucléaire. Pour la première fois, l’humanité a réalisé un gain net grâce à une réaction de fusion contrôlée au sein d’un laboratoire ; les lasers ont fourni 2,05 MJ d'énergie, ce qui a entraîné une production d'énergie de fusion de 3,15 MJ. Cette réalisation, réalisée en un clin d'œil (des dizaines de nanosecondes), est le résultat de plus de deux décennies de travail sur le NIF, six décennies après que John Nuckolls ait conçu la possibilité d'une fusion par confinement inertiel (ICF) pilotée par laser. Nous félicitons nos collègues actuels et anciens du Laboratoire pour cette formidable réalisation.

Bien entendu, la CASC elle-même a des raisons de se réjouir de ce succès. CASC et NIF sont en quelque sorte des frères et sœurs, tous deux nés à moins d'un an d'intervalle dans les années 1990. En tant que tel, il ne devrait pas être surprenant que les problèmes difficiles de l’ICF aient été au centre des recherches du CASC tout au long de son existence. Au fil des années, les chercheurs du CASC ont eu un impact direct et indirect sur le programme NIF, en étant profondément impliqués dans la conception de cibles d'allumage (Jose Milovich) et en aidant les opérations du NIF à gérer plus efficacement la planification des tirs (Claudio Santiago). Dans cette édition du bulletin d'information de l'ACSC, nous mettons en lumière cinq autres exemples des nombreuses contributions de l'ACSC aux efforts visant à rendre possible la fusion contrôlée en laboratoire.

Depuis plus de deux décennies, les chercheurs du CASC s'associent à des physiciens computationnels dans le cadre du programme Weapons Simulations and Computing (WSC) au sein du programme Weapons and Complex Integration (WCI) pour créer de nouvelles capacités de simulation permettant de comprendre les processus multiphysiques complexes impliqués dans l'ICF. Dans ce numéro, nous présentons une rétrospective de Milo Dorr sur certains de ces efforts visant à aborder les interactions laser-plasma. Nous soulignons également le rôle important du scientifique informatique du CASC, Nathan Masters, à la tête du groupe de travail sur les débris et les éclats d'obus du NIF, qui utilise des codes WSC sophistiqués pour analyser la production et les trajectoires de fragments susceptibles d'endommager les optiques coûteuses du NIF. Depuis de nombreuses années, plusieurs membres du CASC, dont Gary Kerbel (à la retraite), Britton Chang (à la retraite) et maintenant Milan Holec, ont contribué au développement du code d'hydrodynamique des rayonnements HYDRA du WSC pour la physique du hohlraum1, et nous présentons un court article sur les travaux récents de Milan. sur un nouvel algorithme de transport déterministe. Dans le domaine des sciences des données, ce numéro présente les méthodes d'analyse de données topologiques, développées par Timo Bremer et Shusen Liu, qui ont fourni de nouvelles informations sur la structure de grande dimension des données NIF. Enfin, nous présentons une approche basée sur les données développée par Ghaleb Abdulla en collaboration avec des scientifiques du NIF pour prédire la croissance des inclusions et des dommages dans les optiques NIF à des fins de planification de maintenance basée sur les données.

1Dans l'ICF à entraînement indirect, le hohlraum est le petit cylindre métallique qui sert de four à rayons X pour la perle de combustible contenue.

Contact: Milo Dorr

Pour garantir que l'énergie transportée dans les 192 faisceaux du NIF arrive sur la cible comme prévu lors d'un tir d'allumage comme celui de décembre dernier, il est essentiel de tenir compte des interactions du faisceau avec le plasma généré par la capsule cible en ablation. L'interaction laser-plasma (LPI) est donc un sujet important dans l'espace de conception de fusion par confinement inertiel, et la simulation LPI dans le contexte NIF est une tâche ardue en termes de calcul.

La simulation LPI au NIF nécessite une résolution à l’échelle de la longueur d’onde dans plusieurs faisceaux d’une largeur de plusieurs milliers de longueurs d’onde sur des échelles de temps d’impulsions laser de 10 ns. Même si cela peut sembler court à simuler, cela nécessite beaucoup de précision. Une telle résolution spatiale à l’échelle du micron doit être combinée à des vitesses de la lumière dans un hohlraum de 10 mm de long contenant la capsule cible.

Depuis de nombreuses années, le code pF3D est le principal outil de modélisation LPI pour NIF, développé et maintenu par le groupe de physique et de conception à haute densité d'énergie-ICF de la division de physique de conception de WCI. Motivés par les défis algorithmiques et l'opportunité de soutenir un programme majeur de laboratoire, les chercheurs du CASC, dirigés par Milo Dorr, ont commencé à collaborer avec l'équipe pF3D dès les premiers jours du NIF pour étudier des algorithmes numériques destinés à améliorer l'efficacité et la précision des simulations LPI. Cela a abouti au développement d'un package d'hydrodynamique multi-espèces non linéaire basé sur une méthode Godunov haute résolution, et d'un package de transport d'électrons Spitzer-Härm intégrant le raffinement du maillage et un solveur multigrille personnalisé [1]. Implémentées dans pF3D, ces améliorations algorithmiques ont été utilisées pour effectuer des simulations de LPI dans des expériences sur des cibles de gazoduc menées dans le cadre de la campagne NIF Early Light (NEL) en utilisant le premier quadruple faisceau installé dans la nouvelle installation. Des comparaisons des résultats calculés avec les mesures NIF de l'effet de diverses stratégies de lissage du faisceau sur la propagation laser (Figure 1) ont été incluses dans la toute première publication du NIF dans Nature Physics [2].