Simulación de un blanco experimental para el estudio de ICF en el láser OMEGA

Abstract

Cada día la población mundial crece, incrementando la demanda de energía a su vez debido a la ausencia de políticas de consumo sostenible. Esta demanda de energía
es abastecida en gran medida por combustibles fósiles, que contribuyen a acrecentar el efecto del calentamiento global y en ocasiones generan una gran contaminación local,
como es el caso de las centrales térmicas de carbón, que generan numerosos problemas sanitarios en las poblaciones. La energía de fisión de las centrales nucleares convencionales, pese a la seguridad de abastecimiento energético que confiere y de la cual carecen las
energías renovables de momento, posee una fuerte oposición social debido a los accidentes producidos en el pasado y el almacenamiento de residuos radiactivos, lo cual la convierte
en una de las alternativas menos deseadas. En este contexto surge la necesidad de crear una nueva fuente de energía limpia y libre de etiquetas negativas: la fusión nuclear, que consiste en unir dos elementos ligeros para crear uno más pesado liberando una gran cantidad de energía. En concreto, este Trabajo de Fin de Grado se enmarca dentro de la investigación de la Fusión por Confinamiento Inercial, que aprovecha las fuerzas inerciales generadas en la interacción de un láser de alta potencia con la materia para conseguir la fusión. El objetivo principal del proyecto es la simulación preliminar con el código hidrodinámico ARWEN del Instituto de Fusión Nuclear de un experimento realizado en la instalación láser OMEGA de la Universidad de Rochester (EEUU) y publicado en una revista científica. Este experimento pretende testar distintos modelos de transporte de radiación del código RAGE desarrollado en el Los Alamos Laboratory comparando las simulaciones con los datos experimentales con el fin de ampliar el conocimiento que se
tiene de los sistemas en régimen de alta densidad de energía (HED) entre los cuales se encuentran los plasmas empleados en fusión nuclear. Se deciden simular las partes superior e inferior del experimento por separado, dejando la simulación del sistema completo para trabajos futuros. La parte inferior posee un ablator en el cual se deposita una gran cantidad de energía en 1 ns, creando una onda de choque
que viaja hacia arriba propagándose a través de distintos materiales. La parte superior, en cambio, posee una hohlraum en cuya superficie interior inciden múltiples haces láser,
aumentando su temperatura para provocar la emisión de rayos X que produzcan ablación en un filtro de Be, creando una onda de choque que viaja hacia abajo. Se realizan simulaciones con variaciones de la energía del láser (75%, 100% y 125%) para la parte superior y con distintos niveles de resolución (1 y 2) para ambas partes. De estas simulaciones se realizan los siguientes estudios, empleándose varios programas creados durante el transcurso del proyecto para la obtención de los resultados:
Estudio preliminar de las simulaciones: se analizan los fenómenos más relevantes que tienen lugar en las simulaciones. Estudio de la velocidad de propagación de las ondas de choque: se analiza la variación de ésta en los distintos materiales para las partes superior e inferior y la influencia del nivel de resolución de la simulación en los resultados. Estudio preliminar del campo radiativo de la hohlraum: se estudia la distribución de la temperatura de radiación en la hohlraum y su variación con la energía del láser y el tiempo. Se estudia también la influencia del nivel de resolución de la simulación sobre los resultados.
Se desprenden numerosas conclusiones, entre las cuales se destacan las siguientes: El nivel de resolución 1 no permite obtener resultados fiables en ninguno de los estudios.
Se observa una cierta variación de la velocidad de las ondas de choque en cada material, explicado por fenómenos como la pérdida de energía por radiación, que debe ser sin embargo objeto de un estudio más exhaustivo en futuros trabajos.
Se observan heterogeneidades generadas en la distribución de temperatura de radiación por el método de ordenadas discretas empleado en transporte de radiación. Para una duración del pulso láser constante, la forma de la curva en los primeros 10 ns se mantiene constante al variar la energía del láser.