Warum ist der D+T-Brennstoff in einem Pellet in zwei unterschiedlichen Regionen nach der Kompression in Fusion?

Könnte jemand erklären, warum sich D + T im Pellet in zwei verschiedenen Regionen befindet?

Ich nehme an, Sie meinen, warum es sowohl in Dampfform (in der Mitte) als auch in fester Form (Eis) (in der Schale geschichtet) ist. Dies ist mit Ihrer zweiten Frage bezüglich der geringeren Dichte in der Mitte gekoppelt.

Die allgemeine Idee, die ICF zugrunde liegt, besteht darin, in der Mitte des komprimierten Pellets einen Hot-Spot einzurichten, der sich nach außen ausbreitet und um ihn herum Kraftstoff verbraucht. Das Design der Kapsel ermöglicht es, dass dies leichter geschieht.

Wenn also das Brennstoffpellet komprimiert wird, besteht das Ziel darin, in der Mitte einen Hot-Spot mit einer Temperatur von mehreren Kiloelektronenvolt zu erzeugen. Dies bewirkt, dass Fusionsreaktionen im Zentrum der Kapsel auftreten, wodurch Fusionsreaktionsprodukte erzeugt werden. Im Fall von DT ist eines dieser Produkte ein Alpha-Teilchen. Wenn eine ausreichend große Anzahl von Alpha-Partikeln erzeugt wird und wenn das umgebende komprimierte DT (der Hot Spot) dicht genug ist, stoppen die Alpha-Partikel innerhalb des Hot Spots auf der Innenseite der DT-Eisschale und halten den Hot Spot aufrecht und dadurch schnelles Erhitzen einer Schicht des umgebenden Eises bis zu Fusionsbedingungen. Dies wiederum erzeugt mehr Alpha-Teilchen, die dasselbe tun. Auf diese Weise wird also eine "Brandwelle" aufgebaut.

Die Dichte des komprimierten DT-Dampfes (der heiße Punkt) muss ausreichend groß sein, um Alpha-Teilchen zu stoppen. Die Dichte des DT-Eis muss jedoch viel größer sein – groß genug, damit der Trägheitseinschluss wirksam ist. Das Starten in einem festen Zustand (Eis) hilft, und das Eis wird weiter komprimiert, wenn das Ziel konvergiert (in das Eis eingeleitete Stoßwellen verursachen eine Kompression). Das erklärt, warum die Eisschicht als Treibstoff bezeichnet wird und warum sie dicht sein muss.

Was die Mitte des Pellets betrifft, so ist es viel schwieriger, die für die Zündung erforderlichen hohen Temperaturen in der Mitte des Pellets zu erreichen, wenn es vollständig mit Eis gefüllt wäre. Die kugelförmige Konvergenz der Hülle trägt zur Erwärmung im Zentrum des Pellets bei, was beispielsweise für eine feste Eiskugel unmöglich wäre.

Während das Pellet komprimiert wird, durchläuft es viele Stufen. Zunächst bewirkt die Ablation eine nach innen gerichtete Beschleunigung der Schale (das DT-Eis). Die Beschleunigungsphase endet, und die Schale trudelt dann eine Weile aus, bevor sie langsamer wird und stagniert. Eine Stagnation tritt aufgrund des Druckanstiegs (begleitet von einem großen Temperaturanstieg) des Dampfes mit relativ geringerer Dichte innerhalb der Hülle auf. Sobald der von der inneren Hülle ausgeübte Druck dem des Hot-Spots entspricht, tritt eine Stagnation auf, und wenn die Temperatur hoch genug ist, wird die Brandwelle aufgebaut. Dies erklärt die zwei unterschiedlichen Regionen nach der Komprimierung.

Beachten Sie, dass dies alles viel schneller geschieht als die Zeit, die die Masse benötigt, um sich aufgrund von Trägheit zu zerlegen - der Brennstoff (Eis) hat also buchstäblich keine Zeit, sich von selbst zu bewegen (zum Beispiel auseinanderzufallen).

EDIT: Das Laboratory for Laser Energetic (University of Rochester) verfügt über ein 60-Strahl-System (OMEGA), das ICF-Experimente durchführt. Sie veranstalten auch eine Sommerschule, in der Praktiker aus der Praxis viele einführende und fortgeschrittene ICF-Konzepte erklären. Folien zu diesen Vorträgen finden Sie hier:

Folien der HEDP-Sommerschule 2013

Bei vielen dieser Fragen helfen die 3-teiligen Folien von Betti weiter.