Systematic Study of the Interaction between Ion Beams and Plasmas via Spatial-Temporal Simulations in the context of Nuclear Fusion by Ion Fast Ignition

Abstract

Desde el siglo pasado, la humanidad ha investigado e intentado alcanzar el difícil objetivo de crear fusión nuclear controlada, para así, acceder a una fuente de energía limpia y rentable. Con esta tesis, pretendemos continuar esta tarea, centrándonos, específicamente, en la fusión nuclear por confinamiento inercial mediante la técnica llamada “ignición rápida por iones” (ion fast ignition). La ignición rápida por iones consiste en aplicar un potente haz de iones para calentar e inflamar una cápsula de combustible de deuterio-tritio, precomprimida y en estado de plasma, creando así un punto caliente (hot-spot) que inicia la reacción de fusión. Separar las fases de compresión y calentamiento permite optimizar ambas de forma individual, así como ganar más control sobre la deposición de energía. Sin embargo, la ignición rápida con iones se enfrenta a varios retos que requieren un estudio más profundo. Por consiguiente, en el contexto de la ignición rápida por iones, la contribución principal de esta tesis consiste en proveer un paquete computacional y un estudio sistemático de la interacción entre el haz de iones y el plasma en distintos escenarios de interés, así como un análisis sistemático preliminar de la ganancia conseguida tras la ignición. Para llevar a cabo este objetivo, hemos modelado una simulación espacio-temporal unidimensional de la deposición de energía del haz y del calentamiento del combustible. Con estos cálculos, podemos obtener la distribución de temperaturas del plasma, y, de ahí, extraer ciertas características clave que permiten describir el hot-spot creado y predecir de su evolución posterior. Presentamos resultados para una amplia gama de valores de interés, centrándonos en un plasma de deuterio-tritio en concentración equimolar. Es posible modelar este combustible para distintas temperaturas iniciales, densidades y radios, incluso, incluyendo las impurezas desprendidas de la cápsula a diferentes concentraciones. Asimismo, hemos considerado diferentes tipos de haces de iones, tanto monoenergéticos como cuasi-monoenergéticos, varias especies iónicas, distintos radios de haz, energías de proyectil y flujos. En esencia, con este estudio exhaustivo de la ignición rápida, establecemos un vínculo entre las características del haz aplicado y el estado del plasma calentado tras la interacción. Esto es muy práctico en dos sentidos: a la hora de diseñar un experimento, podemos predecir el estado del plasma resultante o, por el contrario, si el objetivo es crear un tipo específico del hot-spot, podemos averiguar los parámetros de entrada necesarios, tanto para el haz de iones como para el plasma. Que sepamos, este enfoque no ha sido explorado profundamente en la literatura existente.

Since the last century, humanity has researched and attempted the challenging goal of creating nuclear fusion in a controlled environment and, thus, accessing a clean and cost-effective energy source. In this thesis, we aim to continue this endeavour, focusing specifically on the scenario of inertial confinement nuclear fusion through the ion fast ignition approach. Ion fast ignition scheme uses a powerful, focused ion beam to rapidly heat and ignite a pre-compressed deuterium-tritium fuel pellet in a plasma state, creating a hot-spot that initiates the fusion reaction. By decoupling the compression and heating phases, it is possible to optimize both and keep control over the energy deposition. However, ion fast ignition encounters several challenges that require further study. Therefore, in the context of the ion fast ignition scheme, the main contribution of this thesis is to provide a computational package and a systematic study of the interaction between the ion beam and the plasma in different scenarios, as well as a preliminary systematic analysis of the gain achieved after the ignition. This is carried out through a spatial-temporal one-dimensional simulation of the deposition of energy from the beam and the heating of the fuel. After this calculation, we retrieve the distribution of temperatures of the plasma, from which we extract key features to characterize the hot-spot created and the prediction of its posterior evolution. We present results for a wide range of values of interest, focusing on a deuterium-tritium plasma in equimolar concentration. This fuel can be modelled for various temperatures, densities, and radii, including impurities from the pellet at different concentrations. Additionally, we incorporate different types of fast ion beams, both monoenergetic and quasi-monoenergetic, across various ionic species, different beam radii, projectile energies, and fluxes. In essence, our systematic and comprehensive study of the fast ignition, establishes a clear link between the characteristics of the applied beam and the resulting plasma state. This is highly useful in two ways: when designing an experiment, we can predict the resulting plasma state, of conversely, if the goal is to create a specific type of hot-spot, we can provide the necessary input parameters, for both the ion beam and the plasma. To the best of our knowledge, this approach has not been extensively explored in the existing literature.