Информационный бюллетень CASC

May 09, 2024

Загрузите PDF-версию этого информационного бюллетеня.

Контактное лицо: Джефф Хиттингер

В час ночи 5 декабря 2022 года Национальная установка зажигания (NIF) совершила значительный прорыв: инерционного удержания сжатой цели было достаточно, чтобы инициировать термоядерное горение. Впервые человечество добилось чистой выгоды от контролируемой реакции термоядерного синтеза в лаборатории; лазеры доставляли 2,05 МДж энергии, в результате чего выходная энергия термоядерного синтеза составляла 3,15 МДж. Это достижение, произошедшее в мгновение ока (десятки наносекунд), стало результатом более чем двух десятилетий работы над NIF, спустя шесть десятилетий после того, как Джон Наколлс задумал возможность лазерного инерционного термоядерного синтеза (ICF). Мы поздравляем наших нынешних и бывших коллег по лаборатории с этим огромным достижением.

Конечно, у самого CASC есть повод праздновать этот успех. CASC и NIF являются своего рода братьями и сестрами, оба возникли с разницей в год в 1990-х годах. Таким образом, неудивительно, что сложные проблемы МКФ были в центре внимания исследований ЦАЮК на протяжении всего его существования. На протяжении многих лет исследователи CASC оказывали как прямое, так и косвенное влияние на программу NIF — от активного участия в разработке мишеней для воспламенения (Хосе Милович) до оказания помощи операциям NIF более эффективно в планировании выстрелов (Клаудио Сантьяго). В этом выпуске информационного бюллетеня CASC мы выделяем еще пять примеров большого вклада CASC в усилия, направленные на то, чтобы сделать возможным контролируемый лабораторный термоядерный синтез.

На протяжении более двух десятилетий исследователи CASC сотрудничали с физиками-вычислителями в программе моделирования и вычислений оружия (WSC) в рамках программы Weapons and Complex Integration (WCI), чтобы создать новые возможности моделирования для понимания сложных мультифизических процессов, задействованных в ICF. В этом выпуске мы представляем ретроспективу Майло Дорра о некоторых из этих усилий по изучению взаимодействия лазера и плазмы. Мы также подчеркиваем важную роль ученого-вычислителя CASC Натана Мастерса, возглавляющего рабочую группу NIF по мусору и шрапнели, которая использует сложные коды WSC для анализа образования и траекторий фрагментов, которые могут повредить дорогую оптику NIF. В течение многих лет несколько членов CASC, в том числе Гэри Кербел (в отставке), Бриттон Чанг (в отставке), а теперь и Милан Холек, помогали WSC разрабатывать код радиационной гидродинамики HYDRA для физики хольраума1, и мы представляем короткую статью о недавней работе Милана. на новом детерминированном транспортном алгоритме. В области науки о данных в этом выпуске представлены методы топологического анализа данных, разработанные Тимо Бремером и Шусеном Лю, которые позволили по-новому взглянуть на многомерную структуру данных NIF. Наконец, мы представляем основанный на данных подход, разработанный Галебом Абдуллой в сотрудничестве с учеными NIF для прогнозирования роста включений и повреждений в оптике NIF с целью планирования технического обслуживания на основе данных.

1В ICF с непрямым приводом хольраум представляет собой небольшой металлический цилиндр, который служит рентгеновской печью для заключенной в нем капли топлива.

Контактное лицо: Майло Дорр

Чтобы гарантировать, что энергия, передаваемая 192 лучами NIF, достигнет цели, как предполагалось, во время зажигательного выстрела, такого как тот, который произошел в декабре прошлого года, важно учитывать взаимодействие лучей с плазмой, генерируемой абляционной капсулой-мишенью. Таким образом, взаимодействие лазерной плазмы (LPI) является важной темой в области проектирования термоядерного синтеза с инерционным удержанием, а моделирование LPI в контексте NIF является сложной вычислительной задачей.

Моделирование LPI в NIF требует разрешения в масштабе длины волны для нескольких лучей, каждый из которых имеет ширину в тысячи длин волн, и временных масштабов лазерных импульсов 10 нс. Хотя это может показаться небольшим временем для моделирования, оно требует большой точности. Такое пространственное разрешение микронного масштаба необходимо сочетать со скоростью света в хольрауме длиной 10 мм, содержащем капсулу-мишень.

В течение многих лет код pF3D был основным инструментом моделирования LPI для NIF, разработанным и поддерживаемым группой физики и дизайна High Energy Density-ICF в отделе физики проектирования WCI. Вдохновленные алгоритмическими задачами и возможностью поддержать крупную лабораторную программу, исследователи CASC во главе с Майло Дорром начали сотрудничать с командой pF3D на заре NIF для исследования численных алгоритмов для повышения эффективности и точности моделирования LPI. Это привело к разработке пакета нелинейной многовидовой гидродинамики, основанного на методе Годунова с высоким разрешением, и пакета электронного транспорта Спитцера-Хэрма, включающего измельчение сетки и специальный многосеточный решатель [1]. Эти алгоритмические усовершенствования, реализованные в pF3D, использовались для моделирования LPI в экспериментах с газовыми трубками, проводимых в рамках кампании NIF Early Light (NEL) с использованием первой четверки лучей, установленной на новом объекте. Сравнение результатов вычислений с измерениями NIF влияния различных стратегий сглаживания луча на распространение лазера (рис. 1) было включено в первую публикацию NIF в журнале Nature Physics [2].