A két mikronos töltőcsövek két igényt elégítenek ki

A Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium Nemzeti Gyújtóintézetének (NIF) és az Általános Atomics mérnökei egy inerciális fúziós fúziós (ICF) üzemanyag-kapszulát hoztak létre 2 mikron átmérőjű töltőcsővel - és útközben megoldást találtak egy „Bay Bridge” -re - mint a dilemma, amely drámai módon lelassíthatta a NIF kapszulák gyártásának folyamatát.

A múlt hónapban a NIF elvégezte az első vizsgálatot egy 2 mikronos csövön, amelyet hidrogén üzemanyag injektálásához használtak egy célkapszulába. Az apró cső a tervezésnek megfelelően működött, és csökkentette az 5 és 10 mikronos csövek lábnyomát, amelyekről kiderült, hogy problémákat okoznak a NIF implantációiban.

A vékony üvegcsövek egy másik technikával, nyomásciklusnak nevezett üzemanyag-kapszulákba is beleférnek, ami új volt ebben az alkalmazásban. Ez az előrelátható hat hónapról körülbelül két napra csökkentette a gyártási időt.

Mindkét fejlesztés fontos lépés a NIF készletgondozási missziójának megvalósítása felé. Az ICF kulcsfontosságú szempont a nemzet nukleáris fegyvereinek biztonságának, biztonságának és megbízhatóságának biztosításában.

"Most meglátjuk, mennyivel jobb lesz, ha még kisebbre teszi a töltőcsövet" - mondta Michael Stadermann programigazgató-helyettes. "A 10-ről 5-re haladás (a korábbi kísérletekben) nagy teljesítménynövekedést jelentett."

A töltőcsövekkel deutérium és trícium (DT) üzemanyag-keveréket injektálnak egy borskukorica méretű gömbhéjba, amely egy hohlraum belsejében van felfüggesztve. A NIF 192 nagy energiájú lézersugara eltalálja a hohlraum belső falát, röntgensugarakat generálva, amelyek fúziós reakciót váltanak ki, miközben a DT keverék energiát termelő forró foltokká tömörül.

A perforációk rontják a teljesítményt

De a kutatók korábban lövésadatok és számítógépes szimulációk segítségével megállapították, hogy a 10 mikronos töltőcsövek, bár az emberi haj átlagos átmérőjének csak körülbelül egyhatoda voltak, olyan tényezők voltak a zavarokban, amelyek rontották a NIF implóziós teljesítményét, különösen a gyémánt ablátor héjakkal végzett kísérletek során.

"Ideális esetben, amikor kísérletet tesz a NIF-en, hibátlan kerek héjat szeretne kapni, amelyben az üzemanyag benne van" - mondta Stadermann. "A tökéletestől való bármilyen eltérés zavarokhoz vezet, amelyek viszont csökkenthetik a fúzió mennyiségét."

A töltőcső - magyarázta - egy „kis talányhoz vezet. Az üzemanyagot a kapszula belsejébe kell juttatnunk, ugyanakkor egy töltőcsövet behelyezve tökéletlenséget hozunk létre. ”

Segített a szélesség 10 mikronról 5 mikronra történő csökkentése. Ez év elején a NIF teljes fúziós neutronhozamát 1,9 × 1016 (19 kvadrillió) értékkel érte el, ami duplája a korábbi rekordnak. A töltőcsövek karcsúsításának bonyolultsága ugyanakkor megnövelte a kapszulák gyártási idejét körülbelül egy hétről körülbelül négy hétre.

A németországi Material Materials GmbH gyémánthéjakat gyárt egy szilícium gömbtüske nagy sűrűségű szénnel történő bevonásával. A San Diegóban található General Atomicsnál salétromsav és fluorsav keverékét injektálják a töltőcsőhöz fúrt lyukon keresztül. A sav marja a tüske anyagát, végül csak a gyémánt héja marad, amelyet azután a töltőcsőhöz rögzítenek, hogy kapszula töltőcső egységeket képezzen.

Szélesebb kitöltőnyílások esetén a savban oldott tüske néhány napon belül diffúzióval távozik a lyukon. Az 5 mikronos töltőcsövekhez való áttéréshez azonban kisebb lézerrel fúrt töltőlyukakra volt szükség, ami megnövelte a diffúziós időt.

Stadermann összehasonlította a lassulást a reggeli San Francisco-Oakland-öböl híd ingázásával.

"Minél keskenyebbre teszi ezt a nyílást, annál nehezebb kihozni az oldott tüskét" - mondta. - Olyan, mintha egy nyolc sávos autópálya lenne, amely San Franciscóba megy, és hirtelen négy sávra vágja le. Még mindig megpróbál minden nap ugyanannyi autót behozni a városba, ezért forgalmi dugó lesz, és sokkal tovább tart, amíg mindenki beszáll. "

Körülbelül egy évvel ezelőtt egy vékonyabb csövet szemlélve az LLNL és a General Atomics mérnökei elkeserítő számítást végeztek: A 10 mikronról 5 mikronra történő exponenciális időnövekedés alapján a 2 mikronos cső befogadására alkalmas kapszula akár sokáig is eltarthat. hat hónap.

- Ez nyilvánvalóan elviselhetetlen volt - mondta Stadermann.

Casey Kong, az Atomics általános mérnöke a feladatot „meglehetősen ijesztőnek” nevezte.

"Amikor a 2 mikronos töltőcsövek ötletét lebegtették, viccelődtünk, hogy mindannyian nyugdíjasok leszünk, mire az egyik héj kimosódik" - mondta.

Nyomás kerékpározás

Kétségtelenül a General Atomics csapata - köztük Neal Rice és Wendi Sweet - előrelendült. Kong szerint a nyomásgyakorlás ötlete több embertől származott, köztük Tom Braun laboratóriumi tudóstól, aki bemutatott egy videót, amely azt ábrázolja, hogy a nyomás hogyan vezethet folyadékot a héjba és a héjból egy másik NIF-hez kapcsolódó alkalmazáshoz. Juergen Biener és Tom Bunn, az LLNL tudósai segítettek támogatni a General Atomics csapat erőfeszítéseit.

Nyomásciklus esetén a héjat egy kis fiolába helyezzük a nyomástartó edény belsejében. A nyomást akár öt atmoszférára is növelik, így összezsugorodik a marási folyamatban belül kialakuló gázbuborék, és felszívja a friss savat. Ezután az edényt nyomásmentesítik, amely kitágítja a buborékot, és kiszorítja a nem kívánt tüske anyagát. A ciklust addig ismételjük, amíg a maradék anyag ki nem folyik.

"Ezt a maratási folyamatot le tudtuk redukálni hat hónapról több napra a 2 mikronos lyuknál, ugyanakkor lerövidítettük az 5 mikronos furatok fúrásának idejét kevesebb, mint egy napra, körülbelül egy hónapról" - mondta Stadermann.

A csapatnak arról is gondoskodnia kellett, hogy a törékeny 2 mikronos csövek elkészíthetők legyenek és össze lehessen szerelni a kapszulával. A cső 2 mikronos része csak körülbelül milliméter hosszú, és egy hosszabb részhez csatlakozik, amely a kapszulán túl kúposra esik, és kb. 40 mikron átmérőjű.

De az 5 mikronos csövet gyártó eladó nem tudott vékonyabb változatot szállítani. Jay Crippen, a General Atomics Inerciális Fúziós Technológiai részleg mérnöki gyártási kapcsolattartója más gyártókkal dolgozott együtt egy új forrás minősítéséért.

A csapatnak meg kellett vizsgálnia azt a ragasztót is, amely a csövet a helyén tartja, amikor az üzemanyagot beszivattyúzzák és kriogén módon lefagyasztják - mondta Crippen, akit Stadermann „szerelési varázslóként” dicsért.

Két 2 mikronos töltőcsővel ellátott célt állítottak össze az LLNL-nél, hogy biztosak lehessenek abban, hogy túl fogják élni a folyamatot. Míg a csapat finomítja a gyártási és kezelési eljárásokat, tagjai bíznak abban, hogy a folyamat a következő éven belül rutinná válhat.

"Tudtuk, hogy tanulási görbe lesz" - mondta Crippen.