Simulaci(cid:243)n de un blanco experimental para el estudio de ICF en el lÆser OMEGA Alfredo Ram(cid:243)n GonzÆlez Grado en Ingenier(cid:237)a en Tecnolog(cid:237)as Industriales Especialidad: TØcnicas EnergØticas Tutor: Prof. Manuel Cotelo Ferreiro Dr. Ingeniero Industrial Departamento de Ingenier(cid:237)a EnergØtica Escuela TØcnica Superior de Ingenieros Industriales Universidad PolitØcnica de Madrid 2017 Agradecimientos Este Trabajo de Fin de Grado ha sido uno de los mayores retos que me ha presentado este œltimo aæo en el Grado en Ingenier(cid:237)a en Tecnolog(cid:237)as Industriales, ocupando una gran parte de mi tiempo y esfuerzo durante prÆcticamente todo el aæo. Por eso, esta pÆgina estÆ dedicada a todas aquellas personas sin las cuales Østo no habr(cid:237)a sido posible. En primer lugar, quiero agradecer al Instituto de Fusi(cid:243)n Nuclear los recursos puestos a disposici(cid:243)n del alumno, que permite que los alumnos se sigan formando en esta rama de la ingenier(cid:237)a tan ligada a la investigaci(cid:243)n y convierte cada d(cid:237)a con su trabajo a esta Escuela en un centro de prestigio internacional. En especial quiero darle las gracias a mi tutor, Manuel Cotelo, portodoelesfuerzoyatenci(cid:243)nquemehadedicadoduranteladuraci(cid:243)ndeesteTrabajodeFinde Grado, y sin el cual probablemente no habr(cid:237)a sido capaz de abrir siquiera la consola en Ubuntu. Gracias tambiØn por su apoyo a todos mis amigos, que han sido capaces de aguantar largos mon(cid:243)logos sobre mi TFG y han conseguido animarme en los momentos en los que parec(cid:237)a que no ver(cid:237)a la luz del sol en nueve meses. TambiØn quiero darles las gracias por todo su recorrido, desde los viajes y las (cid:28)estas hasta las innumerables horas de biblioteca en enero para conseguir aprobar Materiales I. Entre Østos se merece una menci(cid:243)n especial Ana NicolÆs, con la que he compartido tutor y departamento en el Trabajo de Fin de Grado. Sin su ayuda y su apoyo moral este trabajo habr(cid:237)a sido mucho mÆs dif(cid:237)cil y mÆs tedioso. Por œltimo, no puedo olvidarme de mi familia, en particular mi padre, Javier; mi madre, Elena; y mi hermano Gonzalo, que siempre han cre(cid:237)do en m(cid:237) y en mi potencial para conseguir lo que me proponga. Gracias por todo vuestro apoyo. I II Resumen Cada d(cid:237)a la poblaci(cid:243)n mundial crece, incrementando la demanda de energ(cid:237)a a su vez debido a la ausencia de pol(cid:237)ticas de consumo sostenible. Esta demanda de energ(cid:237)a es abastecida en gran medida por combustibles f(cid:243)siles, que contribuyen a acrecentar el efecto del calentamiento global y en ocasiones generan una gran contaminaci(cid:243)n local, como es el caso de las centrales tØrmicas de carb(cid:243)n, que generan numerosos problemas sanitariosenlaspoblaciones.Laenerg(cid:237)ade(cid:28)si(cid:243)ndelascentralesnuclearesconvencionales, pese a la seguridad de abastecimiento energØtico que con(cid:28)ere y de la cual carecen las energ(cid:237)as renovables de momento, posee una fuerte oposici(cid:243)n 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 energ(cid:237)a limpia y libre de etiquetas negativas: la fusi(cid:243)n nuclear, que consiste en unir dos elementos ligeros para crear uno mÆs pesado liberando una gran cantidad de energ(cid:237)a. En concreto, este Trabajo de Fin de Grado se enmarca dentro de la investigaci(cid:243)n de la Fusi(cid:243)n por Con(cid:28)namiento Inercial, que aprovecha las fuerzas inerciales generadas en la interacci(cid:243)n de un lÆser de alta potencia con la materia para conseguir la fusi(cid:243)n. El objetivo principal del proyecto es la simulaci(cid:243)n preliminar con el c(cid:243)digo hidro- dinÆmico ARWEN del Instituto de Fusi(cid:243)n Nuclear de un experimento realizado en la instalaci(cid:243)n lÆser OMEGA de la Universidad de Rochester (EEUU) y publicado en una revista cient(cid:237)(cid:28)ca. Este experimento pretende testar distintos modelos de transporte de radiaci(cid:243)n del c(cid:243)digo RAGE desarrollado en el Los Alamos Laboratory comparando las simulaciones con los datos experimentales con el (cid:28)n de ampliar el conocimiento que se tiene de los sistemas en rØgimen de alta densidad de energ(cid:237)a (HED) entre los cuales se encuentran los plasmas empleados en fusi(cid:243)n nuclear. Se deciden simular las partes superior e inferior del experimento por separado, dejando lasimulaci(cid:243)ndelsistemacompletoparatrabajosfuturos.Laparteinferiorposeeunablator en el cual se deposita una gran cantidad de energ(cid:237)a en 1 ns, creando una onda de choque que viaja hacia arriba propagÆndose a travØs de distintos materiales. La parte superior, en cambio, posee una hohlraum en cuya super(cid:28)cie interior inciden mœltiples haces lÆser, aumentando su temperatura para provocar la emisi(cid:243)n de rayos X que produzcan ablaci(cid:243)n III en un (cid:28)ltro de Be, creando una onda de choque que viaja hacia abajo. Se realizan simulaciones con variaciones de la energ(cid:237)a del lÆser (75%, 100% y 125%) para la parte superior y con distintos niveles de resoluci(cid:243)n (1 y 2) para ambas partes. De estas simulaciones se realizan los siguientes estudios, empleÆndose varios programas creados durante el transcurso del proyecto para la obtenci(cid:243)n de los resultados: Estudio preliminar de las simulaciones: se analizan los fen(cid:243)menos mÆs relevantes que tienen lugar en las simulaciones. Estudiodelavelocidaddepropagaci(cid:243)ndelasondasdechoque:seanalizalavariaci(cid:243)n de Østa en los distintos materiales para las partes superior e inferior y la in(cid:29)uencia del nivel de resoluci(cid:243)n de la simulaci(cid:243)n en los resultados. Estudio preliminar del campo radiativo de la hohlraum: se estudia la distribuci(cid:243)n de la temperatura de radiaci(cid:243)n en la hohlraum y su variaci(cid:243)n con la energ(cid:237)a del lÆser y el tiempo. Se estudia tambiØn la in(cid:29)uencia del nivel de resoluci(cid:243)n de la simulaci(cid:243)n sobre los resultados. Se desprenden numerosas conclusiones, entre las cuales se destacan las siguientes: El nivel de resoluci(cid:243)n 1 no permite obtener resultados (cid:28)ables en ninguno de los estudios. Se observa una cierta variaci(cid:243)n de la velocidad de las ondas de choque en cada material, explicado por fen(cid:243)menos como la pØrdida de energ(cid:237)a por radiaci(cid:243)n, que debe ser sin embargo objeto de un estudio mÆs exhaustivo en futuros trabajos. Se observan heterogeneidades generadas en la distribuci(cid:243)n de temperatura de radia- ci(cid:243)n por el mØtodo de ordenadas discretas empleado en transporte de radiaci(cid:243)n. Para una duraci(cid:243)n del pulso lÆser constante, la forma de la curva en los primeros 10 ns se mantiene constante al variar la energ(cid:237)a del lÆser. Palabras clave Alta densidad de energ(cid:237)a, c(cid:243)digo ARWEN, Fusi(cid:243)n por Con(cid:28)namiento Inercial, onda de choque, temperatura de radiaci(cid:243)n. C(cid:243)digos UNESCO 2201.06 - Ondas de choque 2202.07 - Interacci(cid:243)n de ondas electromagnØticas con la materia IV 2204.04 - MecÆnica de (cid:29)uidos 2204.10 - F(cid:237)sica de plasmas 2207.21 - Fusi(cid:243)n termonuclear 2208.09 - Con(cid:28)namiento de plasmas 2209.10 - LÆseres V VI ˝ndice general 1. Introducci(cid:243)n 9 1.1. El Instituto de Fusi(cid:243)n Nuclear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3. Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4. Motivaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6. Estructura del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2. F(cid:237)sica de alta densidad de energ(cid:237)a 15 2.1. HEDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1. Fusi(cid:243)n por con(cid:28)namiento inercial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2. Astrof(cid:237)sica de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2. El lÆser OMEGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3. Experimento a simular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4. Generaci(cid:243)n de ondas de choque con lÆser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3. HidrodinÆmica de radiaci(cid:243)n 29 3.1. Modelo f(cid:237)sico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2. MØtodo de operaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3. M(cid:243)dulo de malla adaptativa re(cid:28)nada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4. M(cid:243)dulo de deposici(cid:243)n de energ(cid:237)a lÆser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5. Herramientas empleadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5.1. Herramienta de visualizaci(cid:243)n: skel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5.2. Herramientas de creaci(cid:243)n de cortes: rwmslc y rwmslcw . . . . . . . 39 3.5.3. Herramienta de creaci(cid:243)n de grÆ(cid:28)cos: gnuplot . . . . . . . . . . . . . 40 4. Diseæo de las simulaciones 41 4.1. Diseæo de la parte inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2. Diseæo de la parte superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1 ˝NDICE GENERAL 5. Resultados 53 5.1. Estudio preliminar de las simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.2. Estudio de la propagaci(cid:243)n de las ondas de choque . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.1. Parte inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2. Parte superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.3. Estudio del campo radiativo de la hohlraum . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6. Conclusiones y trabajo futuro 103 6.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.2. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7. Memoria del proyecto 109 7.1. Estructura de Descomposici(cid:243)n del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.2. Plani(cid:28)caci(cid:243)n temporal y diagrama de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.3. Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.4. Evaluaci(cid:243)n del impacto del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 A. Programas desarrollados 123 A.1. Programa para el cÆlculo de los parÆmetros para raytracing . . . . . . . . . 123 A.2. Programa para el cÆlculo de las posiciones de las ondas de choque y las interfases de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 A.3. Programa para el cÆlculo de la temperatura de radiaci(cid:243)n media y mÆxima en la hohlraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 A.4. Programa para la creaci(cid:243)n de grÆ(cid:28)cas con la temperatura de radiaci(cid:243)n en 3D134 B. Gu(cid:237)a para la creaci(cid:243)n de archivos de entrada para el c(cid:243)digo ARWEN 137 Bibliograf(cid:237)a 146 Abreviaturas, unidades y acr(cid:243)nimos I Glosario de tØrminos III 2