Theoretical study of high power laser interaction with novel nano structured foam materials for inertial confinement fusion research

This thesis regards the work done in collaboration with the Centro Ricerche ENEA (Frascati) with the aim to analyze novel materials for Inertial Confinement Fusion (ICF) applications. ICF is the branch of fusion research devoted to understand if nuclear fusion can be successfully achieved for commercial purposes by irradiating with High Intensity Lasers (HIL) a fuel pellet, a layered sphere of a few mm of diameter. These novel materials are known as foams. The foams I considered are those produced by the Politecnico di Milano at the NanoLab group by the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique. The foams realized by this technique exhibit a nanostructure and so they are said to be nanostructured materials. There a number of articles devoted to the applications of these specific foams outside the fusion research, such as particle's acceleration and generation [19,20,24, 26, 27]. One of the aims of my thesis more specifically is to understand if this technique can be used for producing two of the main components of an ICF apparatus: the ablator and the hohlraum. ICF can be carried out by means of different approaches. The main ones are known as direct drive and indirect drive. In the former the HIL directly irradiates the target, in the latter the fuel pellet is placed into a cylindrical chamber called hohlraum; the HIL irradiates the hohlraum's walls and the X-rays are produced have to irradiate the ablator. These schemes have of course advantages and disadvantages, as I am going to show later in the thesis development. The ablator is the most external layer of the fuel pellet whose aim, in the direct drive approach, is to convert as much laser energy as possible into energy available for igniting the fuel at the fuel pellet's core (also called hot spot). Foams produced by the PLD have the potentialities for producing both better ablators and hohlraums. For what concerns the former the use of foams lead to much higher pressure levels and efficiency of absorptions [8,11]. For what concerns the latter Low Density Gold (LDG) targets exhibit higher conversion efficiencies of the laser energy into X-rays [32]. My work consisted in performing simulations with the hydrodynamic code (MULTI-FM 1D) for understanding the features of the irradiation of these foams and then for designing targets to be used in experiments at the ABC facility which is the laser facility available at the Centro Ricerche ENEA. For both these applications I got novel results. I have shown that foams made with carbon are potentially better ablators than their bulk counterpart. On the other hand I have shown that foams made with gold are for sure of interest for making hohlraums since my simulations shown an higher convertion efficiency of the laser energy into X-rays. This work once validated by experiments will represents a starting point for designing new ICF components.

Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con il Centro Ricerche ENEA (Frascati) con l'obiettivo di analizzare materiali innovativi per applicazioni di Inertial Confinement Fusion (ICF). La ICF è la branca della ricerca sulla fusione dedicata a capire se la fusione nucleare può essere ottenuta con successo per scopi commerciali irradiando con High Intensity Lasers (HIL) un pellet di combustibile, una sfera stratificata di pochi mm di diametro. Questi nuovi materiali sono conosciuti come foams. Le foams che ho considerato sono quelle prodotte dal Politecnico di Milano presso il gruppo NanoLab con la tecnica della Pulsed Laser Deposition (PLD). Le foams realizzate con questa tecnica presentano una nanostruttura e quindi ricadono nella definizione di materiali nanostrutturati. Esistono numerosi articoli dedicati alle applicazioni delle foams al di fuori della ricerca sulla fusione, come l'accelerazione e la generazione di particelle [19,20,24,26,27]. Uno degli obiettivi della mia tesi più nello specifico è capire se questa tecnica può essere utilizzata per produrre due dei componenti principali di un apparato ICF: l'ablatore e l'hohlraum. L'ICF può essere effettuato con diversi approcci. I principali sono conosciuti come direct driven e indirect driven. Nel primo l'HIL irradia direttamente il bersaglio, nel secondo il pellet di combustibile è posto in una camera cilindrica chiamata hohlraum; l'HIL irradia le pareti dell'hohlraum e i raggi X prodotti devono irradiare l'ablatore. Questi schemi hanno ovviamente vantaggi e svantaggi, come mostrerò più avanti nello sviluppo della tesi. L'ablatore è lo strato più esterno del pellet di carburante il cui scopo, nell'approccio ad azionamento diretto, è convertire quanta più energia laser possibile in energia disponibile per accendere il carburante nel nucleo del pellet di carburante (chiamato anche hot spot). Le foams prodotte dal PLD hanno le potenzialità per produrre sia migliori ablatori che hohlraum. Per quanto riguarda i primi l'uso di schiume porta a livelli di pressione ed efficienza degli assorbimenti molto più elevati [8,11]. Per quanto riguarda l'hohlraum è stato dimostrato che bersagli Low Density Gold (LDG) esibiscono una maggiore efficienza di conversione dell'energia laser in raggi X [32]. Il mio lavoro è consistito nell'eseguire simulazioni con il codice idrodinamico (MULTI-FM 1D) per comprendere le caratteristiche dell'irraggiamento di queste foams e quindi per progettare bersagli da utilizzare negli esperimenti presso l'impianto ABC che è l'impianto laser disponibile presso il Centro Ricerche ENEA. Per entrambe queste applicazioni ho ottenuto nuovi risultati. Ho dimostrato che le foams realizzate con il carbonio sono potenzialmente migliori ablatori rispetto alla loro controparte a densità standard. D'altra parte ho dimostrato che le foams fatte con l'oro sono di sicuro interesse per la realizzazione di hohlraum poiché le mie simulazioni hanno mostrato una maggiore efficienza di conversione dell'energia laser in raggi X. Questo lavoro, una volta convalidato dagli esperimenti, potrà rappresentare un punto di partenza per la progettazione di nuovi componenti ICF.