CASC 뉴스레터

May 09, 2024

이 뉴스레터의 PDF 버전을 다운로드하세요.

연락처: Jeff Hittinger

2022년 12월 5일 오전 1시, 국립 점화 시설(NIF)은 획기적인 발전을 이루었습니다. 압축된 표적의 관성 가두기는 열핵 연소를 시작하기에 충분했습니다. 처음으로 인류는 실험실 내에서 통제된 핵융합 반응을 통해 순이익을 달성했습니다. 레이저는 2.05MJ의 에너지를 전달하여 3.15MJ의 융합 에너지 출력을 생성했습니다. 눈 깜짝할 사이(수십 나노초)에 이루어진 이 성과는 John Nuckolls가 레이저 구동 ICF(관성 제한 핵융합)의 가능성을 구상한 지 60년 후인 NIF에 대한 20년 이상의 연구 결과였습니다. 우리는 이 엄청난 성과를 위해 연구실 전체의 현재 및 이전 동료들에게 축하를 보냅니다.

물론 CASC 자체도 이러한 성공을 축하할 이유가 있습니다. CASC와 NIF는 일종의 형제자매로, 둘 다 1990년대에 서로 1년 간격으로 시작했습니다. 따라서 도전적인 ICF 문제가 CASC의 존재 전반에 걸쳐 연구의 초점이 되어 왔다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 수년에 걸쳐 CASC 연구원들은 점화 타겟 설계에 깊이 관여하는 것(Jose Milovich)부터 NIF 운영이 샷 일정을 보다 효과적으로 처리하도록 돕는 것(Claudio Santiago)에 이르기까지 NIF 프로그램에 직간접적인 영향을 미쳤습니다. CASC 뉴스레터 이번 판에서는 제어된 실험실 융합을 가능하게 하기 위한 노력에 대한 CASC의 많은 기여에 대한 5가지 추가 사례를 강조합니다.

CASC 연구원들은 20년 넘게 WCI(무기 및 복합 통합) 내의 WSC(무기 시뮬레이션 및 컴퓨팅) 프로그램에서 전산 물리학자와 협력하여 ICF와 관련된 복잡한 다중 물리학 프로세스를 이해하기 위한 새로운 시뮬레이션 기능을 개발해 왔습니다. 이번 호에서는 레이저-플라즈마 상호 작용을 해결하기 위한 이러한 노력 중 일부에 대한 Milo Dorr의 회고전을 소개합니다. 또한 정교한 WSC 코드를 사용하여 고가의 NIF 광학 장치를 손상시킬 수 있는 파편의 생성 및 궤적을 분석하는 NIF 파편 및 파편 작업 그룹을 이끄는 CASC 전산 과학자 Nathan Masters의 중요한 역할을 강조합니다. 수년 동안 Gary Kerbel(은퇴), Britton Chang(은퇴) 및 현재 Milan Holec을 포함하여 CASC의 몇몇 회원은 Hohlraum 물리학을 위한 WSC의 HYDRA 복사 유체역학 코드를 개발하는 데 도움을 주었습니다1. 우리는 Milan의 최근 작업에 대한 짧은 기사를 소개합니다. 새로운 결정론적 전송 알고리즘에 대해 알아봅니다. 데이터 과학 분야에서 이번 호에서는 NIF 데이터의 고차원 구조에 대한 새로운 통찰력을 제공한 Timo Bremer와 Shusen Liu가 개발한 위상학적 데이터 분석 방법을 다룹니다. 마지막으로, 데이터 기반 유지 관리 일정을 목적으로 NIF 광학의 개재물 증가와 손상을 예측하기 위해 Ghaleb Abdulla가 NIF 과학자와 협력하여 개발한 데이터 기반 접근 방식을 제시합니다.

1간접 구동 ICF에서 홀라움(hohlraum)은 밀폐된 연료 비드용 X선 오븐 역할을 하는 작은 금속 실린더입니다.

연락처: Milo Dorr

NIF의 192개 빔으로 전달된 에너지가 지난 12월과 같은 점화 사격 중에 의도한 대로 목표물에 도달하도록 보장하려면 제거 목표 캡슐에 의해 생성된 플라즈마와의 빔 상호 작용을 설명하는 것이 필수적입니다. 따라서 LPI(레이저 플라즈마 상호작용)는 관성 제한 융합 설계 공간에서 중요한 주제이며, NIF 맥락에서 LPI 시뮬레이션은 계산적으로 어려운 작업입니다.

NIF의 LPI 시뮬레이션에는 10ns 레이저 펄스의 시간 척도에서 각각 수천 개의 파장 폭을 갖는 다중 빔의 파장 규모 분해능이 필요합니다. 시뮬레이션하는 데는 짧은 시간처럼 보일 수 있지만 많은 정밀도가 필요합니다. 이러한 미크론 규모의 공간 분해능은 표적 캡슐을 포함하는 10mm 길이의 홀라움(hohlraum)에서 광속과 결합되어야 합니다.

수년 동안 pF3D 코드는 WCI 디자인 물리학 부문의 고에너지 밀도-ICF 물리학 및 디자인 그룹에서 개발하고 유지 관리하는 NIF의 주요 LPI 모델링 도구였습니다. 알고리즘 문제와 주요 실험실 프로그램을 지원할 수 있는 기회에 동기를 부여받은 Milo Dorr가 이끄는 CASC 연구원은 NIF 초기에 pF3D 팀과 협력하여 LPI 시뮬레이션의 효율성과 정확성을 향상시키기 위한 수치 알고리즘을 조사하기 시작했습니다. 그 결과 고해상도 Godunov 방법을 기반으로 한 비선형 다종 유체역학 패키지와 메시 개선 및 맞춤형 멀티그리드 솔버를 통합한 Spitzer-Härm 전자 전송 패키지가 개발되었습니다[1]. pF3D에 ​​구현된 이러한 알고리즘 향상은 새 시설에 설치된 첫 번째 빔 쿼드를 활용하는 NIF Early Light(NEL) 캠페인의 일환으로 수행된 가스파이프 표적 실험에서 LPI 시뮬레이션을 수행하는 데 사용되었습니다. 레이저 전파에 대한 다양한 빔 스무딩 전략의 효과에 대한 NIF 측정과 계산된 결과의 비교(그림 1)는 NIF가 최초로 Nature Physics에 출판한 논문에 포함되었습니다[2].