Double shell targets are a promising potential avenue to obtain robust neutron yield at current laser facilities. Similar to single shell designs, double shells require the symmetric implosion of an ablator in order to uniformly compress and heat a fuel volume, with the goal of achieving thermonuclear burn. Significant differences between double and single shells include the usage of an aluminum ablator as well as a reverse ramp laser pulse. In addition, double shells require a different convergence than single shells for fuel ignition. Numerical implosion studies at various energies with comparisons to experimental outcomes are required to gain confidence that simulations can capture the ablator shape from subscale to full scale. The current work builds on previous implosion experiments conducted at 1-MJ laser energy to confirm achieved ablator symmetry at 1.25 and 1.5 MJ. Average ablator P2 and P4 shapes measured in these experiments are within 5% of the simulated shape, which merits the platforms for further experimental studies.

This work provides a numerical study of how double shell capsule deformations caused by drive asymmetries and fabrication imperfections affect implosion symmetry and neutron yield. Hydrodynamics simulations are performed in two dimensions and focus on low-mode deformations that are caused by corresponding asymmetries in the Hohlraum drive, component offsets, and ablator joint gaps. By providing a parameter study of these features, our goal is to understand the dominant sources for inner shell deformation and yield degradation. The discussed capsules are composed of an aluminum ablator with a chromium inner shell. The latter encloses a carbon-deuterium foam ball that serves as fuel. We find that for clean capsules, even-numbered low-mode asymmetries in the drive are imprinted on the ablator and smoothly transferred to the inner shell during shell collision. The resulting deformation of the inner shell is more pronounced with larger fuel radius, while the yield is inversely proportional to the amplitude of the drive asymmetry and varies by factors ≤4 in comparison with clean simulations. Capsule component offsets in the vertical direction and ablator thickness nonuniformity result in p1-type deformations of the imploding inner shell. Finally, joint gaps have the largest effect in deforming the ablator and inner shell and degrading yield. While small gap widths (1 μm) result in prolate inner shells, larger gap widths (4 μm) cause an oblate deformation. More importantly, capsules with a small outer gap (1 μm) experience a dramatic drop in yield, typically <3% of a clean simulation.

Abstract Access to reliable, clean energy sources is a major concern for national security. Much research is focused on the “grand challenge” of producing energy via controlled fusion reactions in a laboratory setting. For fusion experiments, specifically inertial confinement fusion (ICF), to produce sufficient energy, the fusion reactions in the ICF fuel need to become self‐sustaining and burn deuterium‐tritium (DT) fuel efficiently. The recent record‐breaking NIF ignition shot was able to achieve this goal as well as produce more energy than used to drive the experiment. This achievement brings self‐sustaining fusion‐based power systems closer than ever before, capable of providing humans with access to secure, renewable energy. In order to further progress toward the actualization of such power systems, more ICF experiments need to be conducted at large laser facilities such as the United States's National Ignition Facility (NIF) or France's Laser Mega‐Joule. The high cost per shot and limited number of shots that are possible per year make it prohibitive to perform large numbers of experiments. As such, experimental design relies heavily on complex predictive physics simulations for high‐fidelity “preshot” analysis. These multidimensional, multi‐physics, high‐fidelity simulations have to account for a variety of input parameters as well as modeling the extreme conditions (pressures and densities) present at ignition. Such simulations (especially in 3D) can become computationally prohibitive to turn around for each ICF experiment. In this work, we explore using Bayesian optimization with Gaussian processes (GPs) to find optimal designs for ICF double shell targets, while keeping computational costs to manageable levels. These double shell targets have an inner shell that grades from beryllium on the outer surface to the higher Z material molybdenum, as opposed to the nominally used tungsten, on the inside in order to trade off between the high performance associated with high density inner shells and capsule stability. We describe our results for “capsule‐only” xRAGE simulations to study the physics between different capsule designs, inner shell materials, and potential for future experiments.