Trabajo Fin de Grado Alfredo Ramón González

165 Pages·2017·14.83 MB·Spanish

by  Alfredo Ramón González

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