Reconstruction and energy extrapolation of the implosion core for low-converging cryogenic implosions

The current thesis work was done in the context of inertial confinement fusion (ICF) research. In this approach to nuclear fusion energy research, the goal is to implode a target in order to heat its center to millions of degrees to produce sufficient fusion reactions, initiating a thermonuclear instability allowing to obtain more energy than is put into the system. Controlled nuclear fusion fullfilling these energy criteria has yet to be achieved in laboratory setting. The two facilities currently pursuing ICF research in the U.S.A. rely on two different approaches: the National Ignition Facility (NIF) mainly focuses on indirect drive, while the OMEGA laser pursues spherically-symmetric direct drive. Since the NIF laser beams cannot currently be reconfigured to produce a spherically-symmetric direct illumination, the smaller scale implosions at OMEGA and used as a surrogate to test the direct drive approach. It is the goal of this thesis project to provide extrapolations for high-adiabat, low-converging cryogenic OMEGA implosions to NIF energies of 1.9 to 2.5 MJ, in order to motivate NIF to pursue direct illumination in the future. Currently, it is estimated that fusion energy outputs of the order of $\sim$ 5 times the current highest energy output obtained on NIF for the 1.9 MJ case and of the order of $\sim$ 8 times in the 2.5 MJ case can be obtained on NIF with spherically-symmetric direct illumination. This work is mainly computational and relies on the reconstructon of implosion experiments performed on the OMEGA laser and a subsequent energy scaling to NIF energies using the theory of hydro-equivalent scaling, thus providing estimates for the main experimental observables. The computational tools used for this analysis are a 1-D implosion code for the acceleration phase of the implosion and a 2-D radiation hydrodynamics code used to simulate the deceleration phase of implosions. It should be pointed out that the reconstructions found for the purposes of this work may not be unique, but provide a close match with the experimental observables.

Il presente lavoro di tesi si colloca nel contesto di ricerca di fusione a confinamento inerziale (ICF). In questo approccio, lo scopo \`{e} di far implodere un bersaglio in modo da scaldarne il centro a temperature di milioni di gradi , con lo scopo di ottenere un sufficiente numero di reazioni di fusione nucleare, causando un'instabilit\`{a} termonucleare che permetta di ottenere pi\`{u} energia di quella introdotta nel sistema. Esperimenti di fusione che rispettino i criteri menzionati non sono mai stati effettuati in laboratorio. Le due strutture prinicipali nell'ambito di ricerca ICF negli Stati Uniti sfruttano due approcci differenti: la National Ignition Facility (NIF) si concentra prevalentemente in approccio indiretto, mentre il laser OMEGA conduce esperimenti in approccio diretto a simmetria sferica. NIF correntemente non pu\`{o} essere configurato in modo da ottenere illuminazione diretta a simmetria sferica; di conseguenza, le implosioni su una scala minore effettuate su OMEGA sono utilizzate come surrogato per testare l'approccio diretto. Lo scopo della presente tesi consiste nel fornire estrapolazioni idroequivalenti per implosioni con alto adiabat e bassa convergenza effettuate su OMEGA, sulla scala di NIF, ovvero a energie laser tra 1.9 e 2.5 MJ. I valori stimati per l'energia prodotta sulla scala di NIF con configurazione diretta a simmetria sferica sono stati stimati essere tra 5 e 8 volte superiori ai valori migliori ottenuti su NIF ad oggi. Questo lavoro di natura computazionale consiste nella ricostruzione degli esperimenti di OMEGA, seguita da un riscalamento alle energie di NIF, usando la teoria di idro-equivalenza, fornendo cos\`{i} stime per le principali osservabili. Gli strumenti utilizzati per questa analisi consistono in un codice di implosione 1-D per la fase di accelerazione e in un codice di fluidodinamica radiativa 2-D, utilizzato per simulare la fase di decelerazione. \`{E} necessario sottolineare che \`{e} possibile che le ricostruzioni trovate in questo lavoro di tesi non siano uniche, ma permettono di avere un buon accordo con i valori sperimentali.