Нова (лазер)

Взгляните на лазерный отсек «Новой» между двумя рядами лучей. В синих ящиках находятся усилители и их «насосы» с лампами-вспышками, а лампы между группами усилителей представляют собой пространственные фильтры.

Nova — это мощный лазер, построенный в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в Калифорнии , США, в 1984 году, где проводились передовые эксперименты по термоядерному синтезу (ICF) до его демонтажа в 1999 году. Nova была первым экспериментом ICF, построенным с использованием лазера высокой мощности. намерение достичь «возгорания», цепной реакции ядерного синтеза , которая высвобождает большое количество энергии. Хотя Нова не достигла этой цели, полученные ею данные ясно определили, что проблема в основном является результатом нестабильности Рэлея-Тейлора , что привело к проектированию Национальной установки зажигания , преемника Новы. Нова также собрала значительные объемы данных по физике материи высокой плотности, несмотря на отсутствие воспламенения, что полезно как для термоядерной энергетики , так и для исследований ядерного оружия .

Фон

Основная статья: Механизм ICF

В устройствах инерционного термоядерного синтеза (ICF) используются драйверы для быстрого нагрева внешних слоев мишени с целью ее сжатия. Мишенью является небольшая сферическая таблетка, содержащая несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно смеси дейтерия и трития . Тепло ведущего лазера сжигает поверхность гранулы, превращая ее в плазму , которая взрывается от поверхности. Оставшаяся часть цели выталкивается внутрь в соответствии с Третьим законом Ньютона и в конечном итоге схлопывается в небольшую точку очень высокой плотности.

Быстрый выброс также создает ударную волну , которая движется к центру сжатого топлива. Когда она достигает центра топлива и встречает ударную волну с другой стороны цели, энергия ударной волны еще больше нагревает и сжимает крошечный объем вокруг нее. Если температуру и плотность этого маленького пятна можно поднять достаточно высоко, в небольшой части топлива начнут происходить реакции синтеза.

В результате реакций синтеза высвобождаются частицы высокой энергии, некоторые из которых (в первую очередь альфа-частицы ) сталкиваются с оставшимся вокруг него топливом высокой плотности и замедляются. Это нагревает топливо и потенциально может привести к его плавлению. При правильных общих условиях сжатого топлива — достаточно высокой плотности и температуры — этот процесс нагрева может привести к цепной реакции , сжигающей топливо наружу от центра, где ударная волна начала реакцию. Это состояние, известное как воспламенение , которое может привести к термоядерному синтезу значительной части топлива в мишени и выделению значительного количества энергии.

использовались лазеры На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для нагрева мишеней . Расчеты показывают, что энергия должна подаваться быстро, чтобы сжать ядро ​​до его разборки, а также создать подходящую ударную волну. Энергия также должна быть сосредоточена чрезвычайно равномерно по внешней поверхности цели, чтобы сжать топливо в симметричное ядро. Хотя были предложены и другие «драйверы», в частности, тяжелые ионы, приводимые в движение в ускорителях частиц , лазеры в настоящее время являются единственными устройствами с правильным сочетанием функций.

История

История LLNL с программой ICF начинается с физика Джона Наколлса, который в 1972 году предсказал, что воспламенение может быть достигнуто с энергией лазера около 1 кДж, в то время как «высокий коэффициент усиления» потребует энергии около 1 МДж. Хотя это звучит очень маломощно по сравнению с современными машинами, в то время это было далеко за пределами современного уровня техники и привело к появлению ряда программ по производству лазеров в этом диапазоне мощностей.

До создания «Новой» компания LLNL спроектировала и построила серию лазеров все большего размера, которые исследовали проблемы базовой конструкции ICF. LLNL в первую очередь интересовался лазером на неодимовом стекле , который в то время был одним из очень немногих известных проектов высокоэнергетических лазеров. LLNL заранее решила сконцентрироваться на стеклянных лазерах, в то время как другие учреждения изучали газовые лазеры, использующие углекислый газ (например, лазер Antares , Национальная лаборатория Лос-Аламоса ) или KrF (например, лазер Nike , Военно-морская исследовательская лаборатория ). Создание больших лазеров на неодимовом стекле раньше не предпринималось, и ранние исследования LLNL были сосредоточены в первую очередь на том, как сделать эти устройства.

Одной из проблем была однородность балок. Даже незначительные изменения в интенсивности лучей приведут к «самофокусировке» в воздушной и стеклянной оптике в процессе, известном как линзирование Керра . Полученный луч включал в себя маленькие «нити» чрезвычайно высокой интенсивности света, настолько высокой, что это могло повредить стеклянную оптику устройства. Эта проблема была решена в лазере «Циклоп» с использованием метода пространственной фильтрации . За «Циклопом» последовал лазер большей мощности «Аргус» , который исследовал проблемы управления более чем одним лучом и более равномерного освещения цели. Кульминацией всей этой работы стал лазер Шива — экспериментальная конструкция системы высокой мощности, включающая 20 отдельных «лазерных усилителей», которые были направлены вокруг цели для ее освещения.

Именно во время экспериментов с Шивой возникла еще одна серьезная неожиданная проблема. Было обнаружено, что инфракрасный свет , генерируемый лазерами на неодимовом стекле, очень сильно взаимодействует с электронами в плазме, созданной во время первоначального нагрева в процессе вынужденного комбинационного рассеяния . Этот процесс, называемый «предварительным нагревом горячих электронов», унес большое количество энергии лазера, а также заставил ядро ​​мишени нагреться до того, как оно достигло максимального сжатия. Это означало, что в центре коллапса выделялось гораздо меньше энергии, как из-за уменьшения энергии взрыва, так и из-за внешней силы нагретого ядра. Хотя было известно, что более короткие волны уменьшат эту проблему, ранее ожидалось, что ИК-частоты, используемые в Шиве, будут «достаточно короткими». Это оказалось не так.

Решение этой проблемы было найдено в виде эффективных умножителей частоты — оптических устройств, которые объединяют несколько фотонов в один с более высокой энергией и, следовательно, частотой. Эти устройства были быстро внедрены и испытаны экспериментально на лазере OMEGA и других устройствах, доказав свою эффективность. Хотя эффективность этого процесса составляет лишь около 50%, а половина исходной мощности лазера теряется, полученный ультрафиолетовый свет гораздо эффективнее взаимодействует с целевой плазмой и гораздо эффективнее сжимает мишень до высокой плотности.

Имея в виду эти решения, LLNL решила создать устройство мощностью, необходимой для создания условий воспламенения. Проектирование началось в конце 1970-х годов, а вскоре после этого началось строительство испытательного стенда лазера Novette для проверки базовой конструкции линии луча и умножителя частоты. Это было время повторяющихся энергетических кризисов в США, и найти финансирование было несложно, учитывая большие суммы денег, доступные для исследований в области альтернативной энергетики и ядерного оружия.

Дизайн

Лазерная мишенная камера Nova во время юстировки и первоначальной установки (около начала 1980-х годов). Некоторые из отверстий большего диаметра содержат различные измерительные устройства, которые имеют стандартный размер и подходят для этих портов, в то время как другие используются в качестве портов для пучков.

На начальном этапе строительства Наколлс обнаружил ошибку в своих расчетах, а проверка, проведенная в октябре 1979 года под председательством Джона Фостера-младшего из TRW, подтвердила, что Nova не сможет достичь воспламенения. Затем конструкция Nova была изменена на меньшую по размеру конструкцию, в которую было добавлено преобразование частоты света с длиной волны 351 нм, что повысило эффективность связи. «Новая Нова» возникла как система с десятью лазерными усилителями или лучами . Каждый луч состоял из серии усилителей из неодимового стекла, разделенных пространственными фильтрами и другой оптикой для очистки результирующих лучей. Хотя методы складывания лучей были известны еще при Шиве, на тот момент они не были хорошо развиты. В итоге компоновка Nova имела одну складку, а длина лазерного отсека, содержащего лучи, составляла 300 футов (91 м). Стороннему наблюдателю кажется, что он содержит двадцать лучей длиной 300 футов (91 м), но из-за сгиба каждый из десяти на самом деле имеет длину почти 600 футов (180 м) с точки зрения длины оптического пути.

Перед запуском усилители из неодимового стекла сначала накачиваются рядом окружающих их ксеноновых ламп-вспышек . Часть света, излучаемого лампами, улавливается стеклом, что приводит к инверсии населенности , что позволяет усиливать его за счет стимулированного излучения . Этот процесс весьма неэффективен, и только от 1 до 1,5% мощности, подаваемой в лампы, фактически превращается в энергию лазера. Чтобы производить мощность лазера, необходимую для «Новой», лампы должны были быть очень большими и питаться от большой батареи конденсаторов , расположенной под лазерным отсеком. Вспышка также генерирует большое количество тепла, которое деформирует стекло, требуя времени для остывания ламп и стекла, прежде чем их можно будет снова включить. Это ограничивает Нову максимум шестью выстрелами в день.

После накачки и готовности к стрельбе в лучи подается небольшой импульс лазерного света. Каждый из дисков из неодимового стекла передает дополнительную мощность лучу, когда он проходит через них. Пройдя через несколько усилителей, световой импульс «очищается» в пространственном фильтре перед подачей в следующую серию усилителей. На каждом этапе использовалась дополнительная оптика, позволяющая увеличить диаметр луча и позволить использовать все большие и большие диски усилителя. Всего «Нова» содержала в лучах пятнадцать усилителей и пять фильтров увеличивающегося размера. с возможностью добавления дополнительного усилителя на последнем этапе, хотя неясно, использовались ли они на практике.

Оттуда все десять лучей проходят в зону эксперимента на одном конце лазерного отсека. Здесь ряд зеркал отражает лучи, попадающие в центр бухты со всех сторон. Оптические устройства на некоторых путях замедляют лучи, так что все они достигают центра одновременно (в течение примерно пикосекунды), поскольку некоторые лучи имеют более длинный путь к центру, чем другие. Умножители частоты преобразуют свет в зеленый и синий (УФ) непосредственно перед входом в «целевую камеру». Nova устроена таким образом, что весь оставшийся ИК- или зеленый свет фокусируется за пределами центра камеры.

Лазер Nova в целом был способен излучать примерно 100 килоджоулей инфракрасного света на длине волны 1054 нм или 40-45 килоджоулей света с утроенной частотой на длине волны 351 нм (третья гармоника основной линии неодимового стекла при 1054 нм) в импульсе. длительностью от 2 до 4 наносекунд и, таким образом, была способна генерировать УФ-импульс мощностью в диапазоне 16 триллионов ватт.

Фьюжн в Нове

Исследования Nova были сосредоточены на подходе непрямого привода , при котором лазерный свет фокусируется на внутренней поверхности тонкой металлической фольги, обычно изготовленной из золота, свинца или другого с высоким Z. металла При нагревании лазером металл повторно излучает эту энергию в виде диффузных рентгеновских лучей , которые более эффективны, чем УФ, при сжатии топливной таблетки. Чтобы излучать рентгеновские лучи, металл необходимо нагреть до очень высоких температур, на что уходит значительное количество энергии лазера. Таким образом, хотя сжатие более эффективно, общая энергия, доставляемая к цели, тем не менее, намного меньше. Причиной преобразования рентгеновских лучей является не улучшение подачи энергии, а «сглаживание» энергетического профиля; поскольку металлическая фольга несколько рассеивает тепло, анизотропия в исходном лазере значительно снижается.

Оболочки из фольги, или хольраумы , обычно имеют форму небольших цилиндров с открытыми концами, в которых лазер светит на открытые концы под косым углом, чтобы поразить внутреннюю поверхность. Чтобы поддержать исследования непрямого привода на Нове, вторая экспериментальная зона была построена «за» основной, напротив лазерного отсека. Система была устроена так, чтобы фокусировать все десять лучей на два набора по пять в каждом, которые проходили во вторую область, а затем в любой конец целевой камеры, а оттуда в хольраумы.

Как ни странно, подход с непрямым приводом не был широко обнародован до 1993 года. Документы эпохи Nova, опубликованные в общенаучных журналах и подобных материалах, либо замалчивают проблему, либо подразумевают, что Nova использовала подход с прямым приводом без холраумов.

Имплозия мишени термоядерного синтеза на Нове. Зеленый цвет держателя мишени обусловлен остаточным лазерным светом, который был преобразован только «на полпути» в УФ, остановившись на зеленом. Оптика устроена таким образом, чтобы сфокусировать этот свет «недалеко» от цели, и здесь он попадает в держатель. Небольшое количество ИК-света также осталось, но его нельзя увидеть на этой фотографии в видимом свете. Оценку размера взрыва можно сделать, сравнив размер держателя мишени здесь с изображением выше.

Как и в случае с более ранним Шивой, Нова не оправдала ожиданий с точки зрения термоядерной мощности. Максимальный выход термоядерного синтеза на NOVA составил около 10 ¹³ нейтронов за выстрел. В данном случае проблема была связана с неустойчивостями, которые вызывали турбулентное перемешивание топлива при коллапсе и нарушали формирование и передачу ударной волны. Проблема была вызвана неспособностью Nova точно согласовать выходную энергию каждого из лучей, а это означало, что разные области гранулы получали разное количество тепла по всей ее поверхности. Это привело к образованию горячих точек на грануле, которые отпечатались во сжимающейся плазме, вызывая нестабильность Рэлея-Тейлора и тем самым перемешивая плазму, так что центр не схлопывался равномерно.

Тем не менее, «Нова» оставалась полезным инструментом даже в своей первоначальной форме, а основная камера-мишень и лучи использовались в течение многих лет даже после того, как она была модифицирована, как описано ниже. За время существования системы было опробовано множество различных методов сглаживания лучей, как для улучшения Nova, так и для лучшего понимания NIF. Эти эксперименты внесли значительный вклад не только в понимание МКФ, но и в физику высокой плотности в целом, и даже в эволюцию галактики и сверхновых .

Модификации

Два луча

Вскоре после завершения создания «Новой» были внесены изменения, направленные на улучшение ее статуса экспериментального устройства.

Одна из проблем заключалась в том, что переоборудование экспериментальной камеры для следующего выстрела занимало много времени , больше, чем время, необходимое для охлаждения лазеров. Чтобы улучшить использование лазера, за исходной была построена вторая экспериментальная камера с оптикой, объединяющей десять линий луча в две. Нова была построена рядом со старыми зданиями Шивы, с двумя экспериментальными камерами, расположенными рядом друг с другом, а лучевые линии выходили наружу от центральных целевых зон. Двухлучевая система была установлена ​​путем пропускания лучоводов и соответствующей оптики через теперь неиспользуемую экспериментальную зону Шивы и размещения меньшей экспериментальной камеры в лучевом отсеке Шивы.

Обновление LMF и Nova

Частичный успех Nova в сочетании с другими экспериментальными результатами побудил Министерство энергетики запросить специальную военную установку ICF, которую они назвали «Лабораторной установкой микротермоядерного синтеза» (LMF), которая могла бы достичь мощности термоядерного синтеза от 100 до 1000 МДж. На основе компьютерных моделей LASNEX было подсчитано, что для LMF потребуется драйвер мощностью около 10 МДж. несмотря на ядерные испытания, которые предполагали более высокую мощность. Создание такого устройства было бы современным, но стоило бы дорого, порядка 1 миллиарда долларов. LLNL представила конструкцию с драйверным лазером мощностью 5 МДж и длиной волны 350 нм (УФ), который сможет достигать мощности около 200 МДж, чего было достаточно для достижения большинства целей LMF. По оценкам, программа будет стоить около 600 миллионов долларов в 1989 финансовом году и дополнительно 250 миллионов долларов для повышения ее мощности до полных 1000 МДж, если это необходимо, и вырастет до более чем 1 миллиарда долларов, если LMF достигнет всех целей, поставленных Министерством энергетики. . Другие лаборатории также предложили свои собственные конструкции ЛМФ с использованием других технологий.

Столкнувшись с этим огромным проектом, в 1989/90 году Национальная академия наук провела второй обзор усилий США по ICF от имени Конгресса США . В отчете делается вывод, что «принимая во внимание экстраполяции, необходимые для определения целевой физики и производительности драйвера, а также вероятную стоимость в 1 миллиард долларов, комитет считает, что LMF (т.е. установка лазерного микросинтеза с мощностью до одного гигаджоуля) является слишком большим шагом, чтобы его предпринимать». прямо из настоящей программы». В их отчете говорилось, что основной целью программы в краткосрочной перспективе должно быть решение различных проблем, связанных с возгоранием, и что не следует предпринимать попытки полномасштабного LMF, пока эти проблемы не будут решены. В отчете также содержалась критика экспериментов с газовыми лазерами, проводимых в LANL, и предлагалось отказаться от них, как и от аналогичных проектов в других лабораториях. В отчете были приняты цифры LASNEX и по-прежнему одобрялся подход с энергией лазера около 10 МДж. Тем не менее, авторы осознавали возможность более высоких требований к энергии и отмечали: «Действительно, если бы оказалось, что для зажигания и усиления требуется драйвер на 100 МДж, пришлось бы переосмыслить весь подход и обосновать , ИКФ».

В июле 1992 года LLNL ответила на эти предложения модернизацией Nova , которая позволила бы повторно использовать большую часть существующего объекта Nova вместе с прилегающим объектом Shiva. Полученная система будет иметь гораздо меньшую мощность, чем концепция LMF, с мощностью драйвера от 1 до 2 МДж. Новая конструкция включала в себя ряд особенностей, которые усовершенствовали современную секцию драйверов, в том числе многопроходную конструкцию в основных усилителях и 18 каналов луча (вместо 10), которые при входе были разделены на 288 «лучей». целевую область с целью улучшения равномерности освещения. Планы предусматривали установку двух основных блоков линий лазерных лучей: одного в существующей комнате с лучами Новы, а другого в старом здании Шивы по соседству, проходя через лазерный отсек и целевую зону в модернизированную целевую зону Новы. Лазеры будут выдавать около 500 ТВт за импульс длительностью 4 нс. Ожидалось, что модернизация позволит новой Nova производить термоядерную энергию от 2 до 20 МДж. По первоначальным оценкам 1992 года стоимость строительства составила около 400 миллионов долларов, строительство велось с 1995 по 1999 год.

По причинам, которые плохо зафиксированы в исторических записях, позже, в 1992 году, LLNL обновила свое предложение по модернизации Новы и заявила, что существующие здания Новы/Шивы больше не смогут содержать новую систему, и что новое здание примерно в три раза понадобится большой. С тех пор планы превратились в нынешнюю Национальную установку зажигания .

Петаватт

Начиная с конца 1980-х годов был разработан новый метод создания очень коротких, но очень мощных лазерных импульсов, известный как усиление чирпированных импульсов или CPA. Начиная с 1992 года сотрудники LLNL модифицировали одно из существующих устройств Nova, чтобы создать экспериментальный CPA-лазер мощностью до 1,25 ПВт. Известная просто как Петаватт , она действовала до 1999 года, когда Нова была демонтирована, чтобы освободить место для НИФ.

Открытый усилитель A315 системы NOVA, предоставленный в аренду в 2003 году лазерной установке PHELIX в институте GSI в Германии ; обратите внимание на лазерные диски восьмиугольной формы посередине, сзади находится одна из двух панелей фонарей, используемых для превышения инверсии населенности.

Базовая система усиления, использовавшаяся в Nova и других мощных лазерах того времени, была ограничена с точки зрения плотности мощности и длины импульса. Одна из проблем заключалась в том, что стекло усилителя реагировало в течение определенного периода времени, а не мгновенно, и очень короткие импульсы не могли сильно усиливаться. Другая проблема заключалась в том, что высокая плотность мощности приводила к тем же проблемам самофокусировки, которые вызывали проблемы в более ранних конструкциях, но в такой степени, что даже таких мер, как пространственная фильтрация, было недостаточно, на самом деле плотность мощности была достаточно высокой. вызвать нитей образование в воздухе.

CPA позволяет избежать обеих этих проблем, распределяя лазерный импульс во времени. Он делает это путем отражения относительно многохроматического (по сравнению с большинством лазеров) импульса от ряда двух дифракционных решеток , которые разделяют их пространственно на разные частоты, по сути то же самое, что простая призма делает с видимым светом. Эти отдельные частоты должны проходить разные расстояния при отражении обратно в луч, в результате чего импульс «растягивается» во времени. Этот более длинный импульс обычно подается на усилители, которые теперь успевают нормально отреагировать. После усиления лучи направляются во вторую пару решеток «в обратном направлении», чтобы рекомбинировать их в один короткий импульс высокой мощности. Чтобы избежать образования нитей или повреждения оптических элементов, весь конец пучка помещается в большую вакуумную камеру .

Хотя Петаватт сыграл важную роль в продвижении практической основы концепции термоядерного синтеза с быстрым зажиганием , к тому времени, когда он начал работать в качестве экспериментального устройства, решение о продолжении работы над NIF уже было принято. Дальнейшая работа над подходом быстрого зажигания продолжается и потенциально достигнет уровня развития, намного опережающего NIF в HiPER , экспериментальной системе, разрабатываемой в Европейском Союзе.

«Смерть» Новы

Когда Nova демонтировали, чтобы освободить место для NIF, мишенная камера была отдана во временное пользование Франции во время разработки Laser Megajoule , системы, во многом похожей на NIF. Этот кредит вызвал споры, поскольку единственный в то время действующий лазер в LLNL, Beamlet (единственный экспериментальный луч для NIF), недавно был отправлен в Национальную лабораторию Сандия в Нью-Мексико. В результате у LLNL не было крупной лазерной установки до тех пор, пока NIF не начал работу, которая, по тогдашним оценкам, произошла не раньше 2003 года. Работа над НИФ не была объявлена ​​официально завершенной до 31 марта 2009 года.

Библиография

• Килкенни, JD; и др. (май 1992 г.). «Недавние экспериментальные результаты Новы». Технология синтеза . 21 (3): 1340–1343 Часть 2А. Бибкод : 1992FuTec..21.1340K . дои : 10.13182/FST92-A29909 .
• Хаммель, бакалавр наук (декабрь 2006 г.). «Программа NIF Ignition: прогресс и планирование» . Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 48 (12Б): B497–B506 Sp. Исс. СИ. Бибкод : 2006PPCF...48B.497H . дои : 10.1088/0741-3335/48/12B/S47 . S2CID   120380196 .
• Коулман, Л.В. (декабрь 1987 г.). «Недавние эксперименты с лазером Nova». Журнал термоядерной энергетики . 6 (4): 319–327. Бибкод : 1987JFuE....6..319C . дои : 10.1007/BF01052066 . S2CID   123594537 .