Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Центр исследования энергии лазера высокой мощности ( HiPER ) - это экспериментальное устройство для термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF) с лазерным управлением, которое находится в стадии предварительного проектирования для возможного строительства в Европейском Союзе . По состоянию на 2019 год эта работа, похоже, неактивна.

HiPER был разработан для изучения подхода "быстрого зажигания" к созданию ядерного синтеза , который использует гораздо меньшие по размеру лазеры, чем обычные конструкции ICF, но дает выходную мощность термоядерного синтеза примерно такой же величины. Это дает общий « выигрыш от термоядерного синтеза », который намного выше, чем у таких устройств, как National Ignition Facility (NIF), и сокращение затрат на строительство примерно в десять раз. Это открыло окно для быстрой сборки небольшой машины, которая могла бы воспламениться раньше, чем NIF. HiPER и японские разработки FIREX намеревались изучить этот подход.

Однако исследования подхода к быстрому зажиганию на небольших машинах, таких как лазер Omega в США, продемонстрировали ряд проблем с этой концепцией. Другой альтернативный подход - шоковое зажигание - начал разрабатываться в будущем примерно с 2012 года. [1] HiPER и FIREX, похоже, с того времени не получили дополнительных разработок.

HiPER не следует путать с более ранним устройством ICF в Японии, известным как «HIPER», которое некоторое время не использовалось.

Фон [ править ]

Основная статья: механизм ICF

Термоядерные устройства с инерционным удержанием (ICF) используют «драйверы» для быстрого нагрева внешних слоев «мишени» с целью ее сжатия. Мишень представляет собой небольшую сферическую таблетку, содержащую несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно смеси дейтерия и трития , или «DT». Тепло лазера превращает поверхность гранулы в плазму , которая взрывается от поверхности. Оставшаяся часть мишени движется внутрь в соответствии с третьим законом Ньютона , схлопываясь в маленькую точку очень высокой плотности. Быстрый сдув также создает ударную волну.который движется к центру сжатого топлива. Когда он достигает центра топлива и встречает удар с другой стороны цели, энергия в центре еще больше нагревает и сжимает крошечный объем вокруг себя. Если температура и плотность этого маленького пятна могут быть достаточно высокими, произойдет реакция синтеза. Этот подход теперь известен как «зажигание горячей точки», чтобы отличить его от новых подходов. [2]

В результате реакции синтеза высвобождаются частицы высокой энергии, некоторые из которых (в основном альфа-частицы ) сталкиваются с горючим высокой плотности вокруг него и замедляются. Это нагревает окружающее топливо и потенциально может вызвать плавление этого топлива. При правильных общих условиях сжатого топлива - достаточно высокой плотности и температуре - этот процесс нагрева может привести к цепной реакции с горением наружу из центра. Это состояние, известное как «воспламенение», которое может привести к тому, что значительная часть топлива в мишени подвергнется плавлению, и выделению значительного количества энергии. [3]

На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для нагрева мишеней использовались лазеры. Расчеты показывают, что энергия должна быть доставлена ​​быстро, чтобы сжать активную зону до ее разборки, а также создать подходящую ударную волну. Энергия также должна быть чрезвычайно равномерно сфокусирована по внешней поверхности цели, чтобы топливо сжалось в симметричную сердцевину. Хотя предлагались и другие «драйверы», в частности, тяжелые ионы в ускорителях частиц , в настоящее время лазеры являются единственными устройствами с правильным сочетанием функций. [4] [5]

Описание [ править ]

В случае HiPER лазерная система драйвера похожа на существующие системы, такие как NIF, но значительно меньше и менее мощная.

Драйвер состоит из ряда "лучей", содержащих лазерные усилители из неодимового стекла на одном конце здания. Непосредственно перед обжигом стекло «перекачивается» в высокоэнергетическое состояние с помощью серии ксеноновых импульсных ламп , вызывая инверсию населенностей атомов неодима (Nd) в стекле. Это подготавливает их к усилению за счет стимулированного излучения, когда небольшое количество лазерного света, генерируемого извне в волоконно-оптическом кабеле., подается в пучки. Стекло не особенно эффективно передает мощность в луч, поэтому для получения как можно большей мощности обратно луч отражается через стекло четыре раза в зеркальном резонаторе, каждый раз получая большую мощность. [6] Когда этот процесс завершен, ячейка Поккельса «выключает» свет из полости. [7] Одной из проблем проекта HiPER является то, что неодимовое стекло больше не производится в промышленных масштабах, поэтому необходимо изучить ряд вариантов, чтобы обеспечить поставку примерно 1300 дисков. [7]

Оттуда лазерный свет попадает в очень длинный пространственный фильтр для очистки результирующего импульса. Фильтр - это, по сути, телескоп, который фокусирует луч в точку на некотором расстоянии, где небольшое отверстие, расположенное в фокусной точке, отсекает любой "рассеянный" свет, вызванный неоднородностями в лазерном луче. Затем луч расширяется, пока вторая линза снова не вернет его в прямой луч. Использование пространственных фильтров приводит к появлению длинных лучей, которые можно увидеть в лазерных устройствах ICF. В случае HiPER фильтры занимают около 50% общей длины. Ширина луча на выходе из системы драйвера составляет около 40 см × 40 см. [8]

Одна из проблем, с которыми столкнулись в предыдущих экспериментах, особенно с лазером Шивы , заключалась в том, что инфракрасный свет, излучаемый лазерами на неодимовом стекле (с длиной волны ~ 1054 нм в вакууме ), сильно взаимодействует с электронами вокруг мишени, теряя значительное количество энергии, которая иначе нагреет саму цель. Обычно это решается за счет использования оптического умножителя частоты , который может удваивать или утроить частоту света в зеленый или ультрафиолетовый соответственно. Эти более высокие частоты менее сильно взаимодействуют с электронами, передавая больше энергии цели. HiPER будет использовать утроение частоты на драйверах. [9]

Когда процесс усиления завершен, лазерный свет попадает в экспериментальную камеру, лежащую в одном конце здания. Здесь он отражается от ряда деформируемых зеркал, которые помогают исправить оставшиеся недостатки волнового фронта, а затем направляет их в целевую камеру со всех углов. Поскольку общие расстояния от концов лучей до разных точек на целевой камере различаются, на отдельных путях вводятся задержки, чтобы гарантировать, что все они достигают центра камеры одновременно, в течение примерно 10 пикосекунд (пс). Мишень, таблетка термоядерного топлива диаметром около 1 мм в случае HiPER, находится в центре камеры. [10]

HiPER отличается от большинства устройств ICF тем, что он также включает второй набор лазеров для прямого нагрева сжатого топлива. Импульс нагрева должен быть очень коротким, длительностью от 10 до 20 пс, но это слишком короткое время для нормальной работы усилителей. Для решения этой проблемы HiPER использует метод, известный как усиление чирпированных импульсов (CPA). CPA начинается с короткого импульса от широкополосного (многочастотного) лазерного источника, в отличие от драйвера, который использует монохроматический (одночастотный) источник. Свет от этого начального импульса разделяется на разные цвета с помощью пары дифракционных решеток.и оптические задержки. Это «растягивает» импульс в цепочку длиной в несколько наносекунд. Затем импульс отправляется в усилители как обычно. Когда он покидает пучок, он рекомбинируется в аналогичном наборе решеток для создания одного очень короткого импульса, но поскольку импульс теперь имеет очень высокую мощность, решетки должны быть большими (около 1 м) и находиться в вакууме. Кроме того, общая мощность отдельных лучей должна быть ниже; Сторона сжатия системы использует 40 каналов передачи около 5 кДж каждый для генерации в общей сложности 200 кДж, тогда как сторона зажигания требует 24 каналов передачи чуть менее 3 кДж для генерации в общей сложности 70 кДж. Точное количество и мощность лучей в настоящее время являются предметом исследования. [10]Умножение частоты также будет использоваться на нагревателях, но еще не решено, использовать ли удвоение или утроение; последний направляет больше энергии в цель, но менее эффективно преобразует свет. По состоянию на 2007 год базовый проект основан на удвоении «зеленого». [11]

Fast Ignition и HiPER [ править ]

В традиционных устройствах ICF драйвер лазера используется для сжатия цели до очень высокой плотности. Ударная волна, создаваемая этим процессом, дополнительно нагревает сжатое топливо, когда оно сталкивается в центре сферы. Если сжатие достаточно симметрично, повышение температуры может создать условия, близкие к критерию Лоусона, и привести к воспламенению.

Количество лазерной энергии, необходимой для эффективного сжатия мишеней до условий зажигания, быстро выросло по предварительным оценкам. В «первые дни» исследований ICF в 1970-х годах считалось, что достаточно всего 1  килоджоуля (кДж) [12] [13], и было построено несколько экспериментальных лазеров для достижения этих уровней мощности. Когда это произошло, оказалось, что ряд проблем, обычно связанных с однородностью коллапса, серьезно нарушил симметрию имплозии и привел к гораздо более низким температурам ядра, чем ожидалось изначально. В течение 1980-х годов расчетная энергия, необходимая для воспламенения, выросла до мегаджоулей, что, казалось, сделало ICF непрактичным для производства энергии термоядерного синтеза. Например, Национальный центр зажигания(NIF) использует около 420 МДж электроэнергии для накачки драйверов лазеров, и, как ожидается, в лучшем случае будет производить около 20 МДж выходной мощности термоядерного синтеза. [2] Без значительного увеличения мощности такое устройство никогда не было бы практическим источником энергии.

Подход с быстрым зажиганием пытается избежать этих проблем. Вместо использования ударной волны для создания условий, необходимых для термоядерного синтеза выше диапазона воспламенения, этот подход непосредственно нагревает топливо. Это намного эффективнее, чем ударная волна, которая становится менее важной. В HiPER сжатие, обеспечиваемое драйвером, «хорошее», но далеко не такое, как у более крупных устройств, таких как NIF; Драйвер HiPER составляет около 200 кДж и обеспечивает плотность около 300 г / см 3 . Это примерно одна треть от NIF и примерно столько же, сколько генерировалось более ранним лазером NOVA 1980-х годов. Для сравнения, свинец составляет около 11 г / см 3 , так что это по-прежнему представляет собой значительную степень сжатия, особенно если учесть, что внутри цели содержится легкое DT-топливо около 0.1 г / см3 . [10]

Зажигание запускается очень коротким (~ 10 пикосекунд) сверхмощным (~ 70 кДж, 4 ПВт) лазерным импульсом, направленным через отверстие в плазме в ядре. Свет от этого импульса взаимодействует с холодным окружающим топливом, создавая ливень высокоэнергетических (3,5 МэВ) релятивистских электронов, которые проникают в топливо. Электроны нагревают пятно на одной стороне плотного ядра, и если это нагревание достаточно локализовано, ожидается, что это приведет к значительному превышению энергий воспламенения. [10]

Общая эффективность этого подхода во много раз выше, чем у обычного подхода. В случае NIF лазер генерирует около 4 МДж инфракрасной энергии, чтобы создать зажигание, которое высвобождает около 20 МДж энергии. [2] Это соответствует «усилению термоядерного синтеза» - отношению входной мощности лазера к выходной мощности термоядерного синтеза - около 5. Если использовать базовые предположения для текущей конструкции HiPER, два лазера (драйвер и нагреватель) производят около 270 всего кДж, но при этом генерируется от 25 до 30 МДж, то есть выигрыш составляет около 100. [10] Учитывая множество потерь, реальный выигрыш, по прогнозам, составит около 72. [10]Это не только значительно превосходит NIF, но и меньшие по размеру лазеры намного дешевле в изготовлении. С точки зрения соотношения цена-качество ожидается, что HiPER будет примерно на порядок дешевле, чем обычные устройства, такие как NIF.

Сжатие - это уже довольно хорошо изученная проблема, и HiPER в первую очередь заинтересован в изучении точной физики процесса быстрого нагрева. Неясно, как быстро электроны останавливаются в топливной загрузке; Хотя это известно для вещества при нормальном давлении, это не относится к сверхплотным условиям сжатого топлива. Чтобы работать эффективно, электроны должны останавливаться на как можно более коротком расстоянии, чтобы высвободить свою энергию в маленькое пятно и, таким образом, поднять температуру (энергию на единицу объема) как можно выше.

Как направить лазерный луч на это пятно - также вопрос дальнейших исследований. Один подход использует короткий импульс от другого лазера для нагрева плазмы за пределами плотного «ядра», по существу прожигая в нем дыру и обнажая плотное топливо внутри. Этот подход будет опробован на системе OMEGA-EP в США. Другой подход, успешно испытанный на лазере GEKKO XII в Японии, использует небольшой золотой конус, который прорезает небольшую область оболочки мишени; при нагревании в этой области не образуется плазма, оставляя отверстие, в которое можно попасть, направив лазер на внутреннюю поверхность конуса. HiPER в настоящее время планирует использовать метод золотого конуса, но, вероятно, также изучит решение для сжигания. [10]

Связанное исследование [ править ]

В 2005 году HiPER завершил предварительное исследование, в котором излагаются возможные подходы и аргументы в пользу его строительства. Отчет получил положительные отзывы от ЕС в июле 2007 года и перешел на подготовительном этапе проектирования в начале 2008 детальных проектов строительства начала в 2011 или 2012 [ править ]

Параллельно с этим проект HiPER также предлагает создавать меньшие лазерные системы с более высокой частотой повторения. Мощные импульсные лампы, используемые для накачки стекла лазерного усилителя, вызывают его деформацию, и его нельзя снова запустить, пока оно не остынет, что занимает целых сутки. Кроме того, только очень небольшое количество вспышки белого света, генерируемого трубками, имеет правильную частоту для поглощения неодимовым стеклом и, таким образом, приводит к усилению, обычно только от 1 до 1,5% энергии, подаваемой в трубки. попадает в лазерный луч. [14]

Ключом к предотвращению этих проблем является замена ламп-вспышек более эффективными насосами, обычно на основе лазерных диодов . Они намного эффективнее генерируют свет из электричества и, следовательно, работают намного холоднее. Что еще более важно, свет, который они излучают, довольно монохроматичен и может быть настроен на частоты, которые легко поглощаются. Это означает, что для получения любого конкретного количества лазерного света необходимо использовать гораздо меньше энергии, что дополнительно снижает общее количество выделяемого тепла. Повышение эффективности может быть значительным; существующие экспериментальные устройства работают с общим КПД около 10%, и считается, что устройства «в ближайшем будущем» улучшат его до 20%. [15]

Текущий статус [ править ]

Дальнейшие исследования в области быстрого зажигания ставят серьезные сомнения в его будущее. К 2013 году Национальная академия наук США пришла к выводу, что это больше не является стоящим направлением исследований, заявив: «В настоящее время быстрое зажигание представляется менее перспективным подходом для IFE, чем другие концепции зажигания». [16]

См. Также [ править ]

  • Термоядерный синтез с инерционным удержанием
  • Лазерный мегаджоуль
  • Национальная установка розжига

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Perkins, LJ (2009). «Ударное зажигание: новый подход к термоядерному синтезу с высоким коэффициентом усиления инерционного удержания на национальной установке зажигания» (PDF) . Письма с физическим обзором . 103 (4): 045004. Bibcode : 2009PhRvL.103d5004P . DOI : 10.1103 / physrevlett.103.045004 . PMID  19659364 .
  2. ^ a b c « Как работает NIF. Архивировано 27 мая 2010 г. в Wayback Machine », Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Проверено 2 октября 2007 года.
  3. ↑ Per F. Peterson, Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics, архивировано 27 сентября 2011 г. в Wayback Machine , Калифорнийский университет, Беркли, 1998 г. Проверено 7 мая 2008 г.
  4. ↑ Per F. Peterson, How IFE Targets Work. Архивировано 17 июня 2008 г. в Wayback Machine , Калифорнийский университет, Беркли, 1998 г. Проверено 8 мая 2008 г.
  5. ↑ Per F. Peterson, Drivers for Inertial Fusion Energy. Архивировано 14 сентября 2008 г. на Wayback Machine , Калифорнийский университет, Беркли, 1998 г. Проверено 8 мая 2008 г.
  6. Перейти ↑ Dunne, 2007, p. 107
  7. ^ a b Данн, 2007, стр. 147
  8. Перейти ↑ Dunne, 2007, p. 101
  9. ^ С. Атзени и др., «Исследования быстрых воспламенителей для проекта HiPER». Архивировано 5 декабря 2010 г. в Wayback Machine , Physics of Plasmas , Vol. 15, 056311 (2008), DOI : 10,1063 / 1,2895447
  10. ^ Б с д е е г Данна, 2005
  11. Перейти ↑ Dunne, 2007, p. 149
  12. ^ . Nuckollsдр, лазерное сжатие вещества до сверхвысоких плотностей: Термоядерный (CTR) Приложения , Природа Vol. 239, 1972, с. 129.
  13. ^ Джон Линдл, Лекция, посвященная медали Эдварда Теллера: Эволюция к непрямому приводу и два десятилетия прогресса к воспламенению и ожогу МКФ , 11-й международный семинар по взаимодействию с лазером и связанным с ним явлениям плазмы, декабрь 1994 г. Проверено 7 мая 2008 г.
  14. Перейти ↑ Dunne, 2007, p. 104
  15. Перейти ↑ Dunne, 2007, p. 130
  16. ^ Оценка целей термоядерного синтеза с инерционным удержанием (Технический отчет). Национальная академия наук. 2013. с. 65.

Библиография [ править ]

  • Майк Данн и др., « Отчет о технических предпосылках и концептуальном дизайне HiPER за 2007 год », июнь 2007 г.
  • Майк Данн и др., « HiPER: установка для лазерного синтеза для Европы », 2005 г.
  • Эдвин Картлидж, « Европа планирует установку лазерного термоядерного синтеза », Physics World , 2 сентября 2005 г.
  • Герстнер, Ed (2007), "Лазерная физика: Экстремальный свет", Nature , 446 (7131): 16-18, Bibcode : 2007Natur.446 ... 16G , DOI : 10.1038 / 446016a , PMID  17330018 , S2CID  4388058

Внешние ссылки [ править ]

  • HiPER Project - домашняя страница проекта
  • Быстрый путь к слиянию - включает изображение подхода золотого конуса
  • Эксперименты по гидродинамической неустойчивости на лазере GEKKO XII / HIPER - одноименном японском эксперименте, для сравнения
  • Лазерное зрение способствует энергетическому будущему - bbc news report
  • Профессор Майк Данн, директор Центрального лазерного центра Великобритании, о европейских планах по созданию термоядерной энергии , журнал Ingenia , декабрь 2007 г.
  • HiPER Power - статья на сайте Physics.org, август 2009 г.