Development of Methods for Shell and Fuel Layer Characterization of Indirect-Drive Cryogenic Target for Laser Thermonuclear Fusion

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Indirect-drive cryogenic target is a located in box-converter hollow spherical shell-capsule with spherically symmetric solid layer of deuterium-tritium fuel on its inner surface. Placing a cryogenic target in an experiment on ignition at a megajoule energy level facility is preceded by thorough characterization of all component elements of the target and characterization of finished target. This paper describes the characterization method of the entire external surface of the cryogenic target using a confocal scanning, and presents the results of developing an optical shadow method and an X-ray phase-contrast method for characterization the cryogenic fuel layer in the target. The results of stitching the entire external surface are used for interpretation of the results of experiments on the solid fuel layer formation in a cryogenic target. The developed program system for characterization of fuel layers is used for measuring the liquid fuel, for characterization of the solid fuel layer parameters and for evaluation the robustness of the characterization results.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Elena Yu. Zarubina

All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics; Sarov Branch of the Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: zarubinaelena2@yandex.ru
Russian Federation, 37, Mir St., Sarov, 607188; 8, Parkovaya St., Sarov, 607328

Marina A. Rogozhina

All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics

Email: rogozhina.marina.a@gmail.com
Russian Federation, 37, Mir St., Sarov, 607188

Elena Yu. Solomatina

All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics

Email: eyusolom@gmail.com
Russian Federation, 37, Mir St., Sarov, 607188

Ivan Aleksandrovich Chugrov

All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics

Email: cahbi4var@mail.ru
Russian Federation, 37, Mir St., Sarov, 607188

References

  1. Ilgisonis V. Fusion research as an essential component of the technological platform of energy security // Energy Policy. 2023. V. 2. No. 180. doi: 10.46920/2409-5516_2023_2180_12
  2. Ilgisonis V.I., Ilyin K.I., Novikov S.G., Olenin Yu.A. On the Program of Russian Research in the Field of Controlled Thermonuclear Fusion and Plasma Technologies // Plasma Physics. 2021. V. 47. No. 11. P. 963—969. doi: 10.31857/S0367292121110172
  3. Danson C.N., Gizzi L.A. Inertial confinement fusion ignition achieved at the National Ignition Facility — an editorial // High Power Laser Science and Engineering. 2023. V. 11. No. 40. doi: 10.1017/hpl.2023.38
  4. Huang H., Stephens R.B., Nikroo A., Eddinger S.A., Chen K.C., Xu H.W., Moreno K.A., Youngblood K.P., Skelton M. Quantitative radiography: Film Model Calibration and Dopant/Impurity Measurement in ICF Ablators // Fusion Science and Technology. 2007. V. 51. No. 4. P. 530—538. doi: 10.13182/FST51-530
  5. Biener J., Ho D.D., Wild C., Woerner E., Woerner E., Biener M.M., El-dasher B.S., Hicks D.G., Eggert J.H., Celliers P.M., Collins G.W., Teslich N.E., Kozioziemski B.J., Haan S.W., Hamza A.V. Diamond spheres for inertial confinement fusion // Nucl. Fusion. 2009. V. 49. P. 112001.
  6. Xianxian Ma, He Ni, Mengshuang Lu, Zihao Liu, Jingwen Huang, Qi Wangb, Yun Wang. A measurement method for three-dimensional inner and outer surface profiles and spatial shell uniformity of laser fusion capsule // Optics and Laser Technology. 2021. V. 134. P. 106601.
  7. Tianliang Yan, Kai Wang, Zhongming Zang, An Lu, Xiaobo Hu, Nan Chen, Huxiang Zhang, Chong Liu, Dong Liu. Compact, snapshot and triple-wavelength system for ICF target ice-layer refractive index and thickness measurement // Optics and Laser Technology. 2021. V. 134. P. 106595.
  8. Nikitenko A.I., Tolokonnikov S.M. Optimal “Tomography” of 2-Layered Targets: 3D Parameters Reconstruction from Shadow Images // Fusion Science and Technology. 2007. V. 51. No. 4. P. 705—716. doi: 10.13182/FST07-A1468
  9. Kucheev S.O., Hamza A.V. Condensed hydrogen for thermonuclear fusion // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 091101.
  10. Haan S.W., Lindl J.D., Callahan D.A., Clark D.S., Salmonson J.D., Hammel B.A., Atherton L.J., Cook R.C., Edwards M.J., Glenzer S., Hamza A.V., Hatchett S.P., Herrmann M.C., Hinkel D.E., Ho D.D., Huang H., Jones O.S., Kline J., Kyrala G., Landen O.L., MacGowan B.J., Marinak M.M., Meyerhofer D.D., Milovich J.L., Moreno K.A., Moses E.I., Munro D.H., Nikroo A., Olson R.E., Peterson K., Pollaine S.M., Ralph J.E., Robey H.F., Spears B.K., Springer P.T., Suter L.J., Thomas C.A., Town R.P., Vesey R., Weber S.V., Wilkens H.L., Wilson D.C. Point design targets, specifications, and requirements for the 2010 ignition campaign on the National Ignition Facility // Physics of Plasmas. 2011. V. 18. P. 051001. doi: 10.1063/1.3592169
  11. Narang Simon. Modeling for Direct Drive Fusion Implosions: Cryogenic Target Filling at Arbitrary Viewing Angles and Yield Prediction. Pittsford, New York: Sutherland High School, 2019.
  12. Parham T., Kozioziemski B., Atkinson D., Baisden P., Bertolini L., Boehm K., Chernov A., Coffee K., Coffield F., Dylla-Spears R., Edwards O., Fair J., Fedorov M., Fry J., Gibson C., Haid B., Holunga D., Kohut T., Lewis T., Malsbury T., Mapoles E., Sater J., Skulina K., Trummer D., Walters C. Cryogenic Target System for Hydrogen Layering / American Nuclear Society Scientific Publication. 2016. LLNL-JRNL-696377.
  13. Harding D.R., Wittman M.D., Edgell D.H. Considerations and Requirements for Providing Cryogenic Targets for Direct-Drive Inertial Fusion Implosions at the National Ignition Facility, Fusion Science and Technology // Fusion Science and Technology. 2013. V. 63. No. 2. P. 95—105.
  14. Kozioziemski B.J., Mapoles E.R., Sater J.D., Chernov A.A., Moody J.D., Lugten J.B., Johnson M.A. Deuterium-Tritium Fuel Layer Formation for the National Ignition Facility // Fusion Science and Technology. 2011. V. 59. No. 1. P. 14—25.
  15. Kozioziemski B.J., London R.A., McEachern R.L., and Bittner D.N. Demonstration of symmetry control of infrared heated deuterium layers in holraums. 2003. UCRL-JC-154640.
  16. Cryogenic Target Handling System Operation Manual / Volume IV–CTHS Description, Chapter 8: Characterization Station (CS) — Revision A. 2004.
  17. Numerical Investigation of Characterization of Thick Cryogenic-Fuel Layers Using Convergent Beam Interferometry / LLE Review. V. 79. P. 131—138.
  18. Harding D.R., Wittman M.D., Redden N.P., Edgell D.H., Ulreich J. Comparison of Shadowgraphy and X-Ray Phase Contrast Methods for Characterizing a DT Ice Layer in an Inertial Confinement Fusion Target // Fusion Science and Technology. 2020. doi: 10.1080/15361055.2020.1812990
  19. Garanin S.G., Garnov S.V., Sergeev A.M., Khazanov E.A. Powerful lasers for high energy density physics // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. 2021. V. 9. No. 5. P. 435—445.
  20. Averin M.S., Baranova A.S., Busalov A.A., Gnutov A.S., Ermakova I.Yu., Lyapin V.V. Algorithm for transferring a surface mesh in preparing computational meshes for thin-walled structures / Youth in Science: collection of reports from the XXI scientific and technical conference. 2024.
  21. Clark D.S., Haan S.W., Hammel B.A., Salmonson J.D., Callahan D.A., Town R.P. Phys. Plasmas / 2010. 17 (052703).
  22. LMJ & PETAL Status and first experiments // IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 717. P. 012084. doi: 10.1088/1742-6596/717/1/012084
  23. Zarubina E.Yu., Rogozhina M.A., and Chugrov I.A. Creation of the Indirect-Drive Cryogenic Target with the Solid Deuterium Layer // Moscow University Physics Bulletin. 2024. V. 79. No. 1. P. 25—38.
  24. Eddinger S.A., Huang H., Schoff M.E. Three-Dimensional Wallmapping Using Xradia with Distortion Correction // Fusion Sci. Technol. 2009. V. 55. No. 4. P. 411—416.
  25. Stephens R. B., Olson D., Huang H., Gibson J. B. Complete Surface Mapping of ICF Shells // Fusion Science and Technology. 2004. V. 45. No. 2. P. 210—213. doi: 10.13182/FST45-210
  26. Antipa N.A., Baxamusa S.H., Buice E.S., Conder A.D., Emerich M.N., Flegel M.S., Heinbockel C.L., Horner J.B., Fair J.E., Kegelmeyer L.M., Koh E.S., Johnson M.A., Maranvill W.L., Meyer J.S., Montesanti R., Nguyen J., Ralph J.E., Reynolds J L. & Senecal J.G. Automated ICF Capsule Characterization Using Confocal Surface Profilometry // Fusion Sci. Technol. 2013. V. 63. No. 2. P. 151—159.
  27. Huang H., Carlson L. C., Requieron W., Rice N., Hoover D., Farrell M., Goodin D., Nikroo A., Biener J., Stadernann M., Haan S.W., Ho D., Wild C. Quantitative Defect Analysis of Ablator Capsule Surfaces Using a Leica Confocal Microscope and a High-Density Atomic Force Microscope // Fusion Sci. Technol. 2016. V. 70. No. 2. P. 377—38.
  28. Chobriat A., Raphaël O., Hermerel C., Busvelle E., Choux A., Merillot P., Reverdy L., Theobald M. Developments in Shell Surface Characterizations Using Holography // Fusion Sci. Technol. 2018. V. 73. No. 2. P. 132—138.
  29. Nguyen Q.L., Eddinger S.A., Huang H., Johnson M.A., Lee Y.T., Montesanti R.C., Moreno K.A., Schoff M.E. Increasing the Throughput of Phase-Shifting Diffraction Interferometer for Quantitative Characterization of ICF Ablator Capsule Surfaces // Fusion Science and Technology. 2009. V. 55. No. 4. P. 399—404. doi: 10.13182/FST09-18
  30. Zarubina E.Yu., Rogozhina M.A., Chugrov I.A. Characterization of hydrogen isotopes cryogenic layer parameters in indirect-drive target / Interaction of hydrogen isotopes with structural materials. IHISM’23 Junior: collection of reports of the 16th International School of Young Scientists and Specialists named after A.A. Kurdyumov. 2023. P. 369—378.
  31. Zarubina E.Yu., Rogozhina M.A., Chugrov I.A. Characterization of Hydrogen Isotopes Layer Parameters in Indirect-Drive Cryogenic Target for Laser Thermonuclear Fusion // FIZMAT. 2024. V. 2. No. 2. P. 134—154.
  32. Zarubina E.Yu., Rogozhina M.A. Shadowgraphic Characterization Method of a Cryogenic Hydrogen Isotope Layer in an Indirect-Drive Target for Inertial Confinement Fusion // Physics of Atomic Nuclei. 2022. V. 5. No. 10. P. 1638—1641. doi: 10.1134/S1063778822100659

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Рис. №1. Требования NIF к поверхностям криомишени [10]. Максимально допустимый одномерный спектр мощности шероховатости поверхностей криомишени (для экваториальных прописей поверхностей): 1 – внешняя поверхность оболочки, 2 – первая-третья средние поверхности оболочки, 3 – внутренняя поверхность оболочки, 4 – внутренняя поверхность льда. Поверхности определяются относительно центра внутренней поверхности оболочки, поэтому мода 1 (неконцентричность) не определяется для этой поверхности.

Download (204KB)
Indexing metadata
3. Рис. №2. Конструкция мишени увеличенного размера РФЯЦ-ВНИИЭФ: a) бокс-конвертор диаметром 1.4 см с шестью окнами диаметром 2 мм для ввода ЛИ (ввод ЛИ показан для одного окна), b) часть оболочки с топливом: 1 – оболочка из HDC (плотность 3.51 г/см3), 2 – твердый слой DT-топлива (плотность 0.25 г/см3), 3 – насыщенный DT-газ (плотность 0.3 мг/см3).

Download (221KB)
Indexing metadata
4. Рис. №4. Схема сшивки топографий полной поверхности оболочки: 1 – сплошная кривая – кривая вдоль одного экватора, сплошными стрелками показаны направления сшивки одного экватора, пунктирная кривая – область замыкания экваторов, пунктирными стрелками показаны направления сшивки экваторов между собой; 2 – смоделированный по центру оболочки и отверстию для ввода ЛИ капилляр для напуска топлива, 3 – место посадки оболочки на вспомогательный манипулятор для ее переориентации, область пересечения всех экваторов.

Download (6MB)
Indexing metadata
5. Рис. №5. Карта высот в виде отклонений от аппроксимирующей поверхность сферы диаметром 2126 мкм.

Download (762KB)
Indexing metadata
6. Рис. №6. Оценка пространственного положения и геометрических параметров дефектов. X, Y, Z – координаты дефектов в системе координат с центром в центре сферы, аппроксимирующей сшитую внешнюю поверхность оболочки; координаты вычисляются как проекция центра дефекта на сферу диаметром 2130 мкм (измеренный диаметр оболочки). Цифрами на дефектах указано их максимальное отклонение от прилегающей поверхности в радиальном направлении (высота, глубина). Рисунок представляет собой карту высот. Параметры некоторых дефектов, не обозначенные на рисунке, следующие. Дефект №1 (самый крупный): площадь 7230 мкм2, объем 2890 мкм3. Дефект №4 (маленький): площадь 79 мкм2, объем 8 мкм3. Дефект №6 (самый высокий): площадь 1520 мкм2, объем 5930 мкм3. Область на рисунке включает в себя 4 экватора с перекрытием от 20 до 50%, по 3 топографии в каждом.

Download (5MB)
Indexing metadata
7. Рис. №7. Спектры мощности Фурье, вычисленные по профилям трех соседних экваторов для оболочки, и требования к внешней поверхности оболочки NIF (пунктиром).

Download (24KB)
Indexing metadata
8. Fig. 1. NIF requirements for cryo-target surfaces [10]. Maximum permissible one-dimensional roughness power spectrum of the cryo-target surfaces (for equatorial surface sheets): 1 - outer surface of the shell; 2 - first to third middle surfaces of the shell; 3 - inner surface of the shell; 4 - inner ice surface. The surfaces are defined relative to the centre of the inner surface of the shell, so mode 1 (non-concentricity) is not defined for this surface.

Download (165KB)
Indexing metadata
9. Fig. 2. Design of the RFNC-VNIIEF oversized target: a - box-converter of 1.4 cm diameter with six windows of 2 mm diameter for LI input (LI input is shown for one window); b - part of the cladding with fuel: 1 - HDC cladding (density 3.51 g/cm3); 2 - solid layer of DT-fuel (density 0.25 g/cm3); 3 - saturated DT-gas (density 0.3 mg/cm3).

Download (278KB)
Indexing metadata
10. Fig. 3. Schematic diagram of the experimental stand for shell attestation: 1 - main three-axis manipulator; 2 - auxiliary six-axis manipulator; 3 - shell of about 2 mm diameter; 4 - to vacuum system; 5 - optical profilometer lens; 6 - vacuum tweezers; 7 - motorised rotators; 8 - two-axis manual positioners; 9 - slanting table; 10 - three-axis system of motorised positioners; 11 - vibration-absorbing table of optical profilometer; 12 - decoupling optical table; 13 - rotating mirror. Dotted arrows show possible directions of movement of positioners and lens.

Download (373KB)
Indexing metadata
11. Fig. 4. Three-dimensional defect map of the outer surface of the hollow PAMS shell in the form of deviations from the surface approximating a sphere with a diameter of 2126 µm.

Download (257KB)
Indexing metadata
12. Fig. 5. Estimation of spatial position and geometric parameters of defects. X, Y, Z - coordinates of the defects in the coordinate system with the centre in the centre of the sphere approximating the cross-linked outer surface of the shell; the coordinates are calculated as the projection of the defect centre onto a sphere with a diameter of 2130 µm (the measured diameter of the shell). The numbers on the defects indicate their maximum deviation from the adjacent surface in the radial direction (height, depth). The figure is a map of heights. Parameters of some defects not labelled in the figure are as follows. Defect #1 (the largest): area 7230 µm2, volume 2890 µm3. Defect No. 4 (small): area 79 µm2, volume 8 µm3. Defect No. 6 (the highest): area 1520 µm2, volume 5930 µm3. The area in the figure includes 4 equators with an overlap of 20 to 50%, with 3 topographies in each.

Download (486KB)
Indexing metadata
13. Fig. 6. Fourier power spectra computed from the profiles of three neighbouring equators for the shell and the NIF shell outer surface requirements (dashed line).

Download (142KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».