HiPER

Планировка HiPER на основе предварительного проектирования.

Центр исследований высокомощной лазерной энергии ( HiPER ) представляет собой предлагаемое экспериментальное устройство инерционного термоядерного синтеза (ICF) с лазерным приводом, которое проходит предварительное проектирование для возможного строительства в Европейском Союзе . По состоянию на 2019 год , усилия кажутся неактивными.

HiPER был разработан для изучения подхода «быстрого зажигания» к созданию ядерного синтеза гораздо меньшего размера, , в котором используются лазеры чем в традиционных конструкциях ICF, но при этом вырабатывается выходная мощность термоядерного синтеза примерно той же величины. Это обеспечивает общий « выигрыш от термоядерного синтеза », который намного выше, чем у таких устройств, как Национальная установка зажигания (NIF), и снижает затраты на строительство примерно в десять раз. Это открыло возможность для быстрого создания небольшой машины, которая зажигалась раньше NIF. HiPER и японские разработчики FIREX намеревались изучить этот подход.

Однако исследование метода быстрого зажигания на небольших машинах, таких как лазер Omega в США, выявило ряд проблем с этой концепцией. Другой альтернативный подход, ударное зажигание , начал развиваться в будущем, начиная примерно с 2012 года. HiPER и FIREX, похоже, не претерпели с тех пор никакого дальнейшего развития.

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

Фон

Основная статья: Механизм ICF

Устройства инерционного термоядерного синтеза (ICF) используют «драйверы» для быстрого нагрева внешних слоев «мишени» и ее сжатия. Мишень представляет собой небольшую сферическую гранулу, содержащую несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно смесь дейтерия и трития , или «DT». Тепло лазера сжигает поверхность гранулы, превращая ее в плазму , которая взрывается от поверхности. Оставшаяся часть цели выталкивается внутрь в соответствии с Третьим законом Ньютона , сжимаясь 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 удар с другой стороны цели, энергия в центре еще больше нагревает и сжимает крошечный объем вокруг нее. Если температуру и плотность этого маленького пятна поднять достаточно высоко, начнутся реакции синтеза. Этот подход теперь известен как «воспламенение горячей точки», чтобы отличить его от новых подходов.

Реакции термоядерного синтеза высвобождают частицы высокой энергии, некоторые из которых (в первую очередь альфа-частицы ) сталкиваются с топливом высокой плотности вокруг себя и замедляются. Это нагревает окружающее 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 , выгорающей наружу от центра. Это состояние, известное как «воспламенение», которое может привести к синтезу значительной части топлива в мишени и выделению значительного количества энергии.

На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для нагрева мишеней используются лазеры. Расчеты показывают, что энергия должна подаваться быстро, чтобы сжать ядро ​​до его разборки, а также создать подходящую ударную волну. Энергия также должна быть максимально равномерно сфокусирована по внешней поверхности цели, чтобы топливо сжалось 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.

Описание

В случае HiPER лазерная система драйвера аналогична существующим системам, таким как NIF, но значительно меньше и менее мощна.

Драйвер состоит из нескольких «лучевых линий», содержащих лазерные усилители из неодимового стекла на одном конце здания. Непосредственно перед обжигом стекло «накачивается» до высокоэнергетического состояния с помощью ряда ксеноновых ламп-вспышек , вызывая инверсию заселенности атомов неодима ( Nd ) в стекле. Это подготавливает их к усилению посредством стимулированного излучения , когда небольшое количество лазерного света, генерируемого снаружи в оптоволокне , подается в лучи. Стекло не особенно эффективно передает энергию лучу, поэтому, чтобы получить как можно больше энергии обратно, луч четыре раза отражается через стекло в зеркальной полости, каждый раз получая больше мощности. Когда этот процесс завершен, ячейка Поккельса выключает свет из полости. Одной из проблем проекта HiPER является то, что Nd:стекло больше не производится коммерчески, поэтому необходимо изучить ряд вариантов, чтобы обеспечить поставку примерно 1300 дисков.

Оттуда лазерный свет подается в очень длинный пространственный фильтр для очистки результирующего импульса. Фильтр, по сути, представляет собой телескоп, который фокусирует луч в точку на некотором расстоянии, где небольшое точечное отверстие, расположенное в фокусе, отсекает любой «посторонний» свет, вызванный неоднородностями лазерного луча. Затем луч расширяется, пока вторая линза снова не вернет его в прямой луч. Именно использование пространственных фильтров приводит к получению длинных лучей, наблюдаемых в лазерных устройствах ICF. В случае HiPER фильтры занимают около 50% общей длины. Ширина луча на выходе из драйверной системы составляет около 40 см × 40 см.

Одна из проблем, с которыми пришлось столкнуться в предыдущих экспериментах, особенно с лазером Шива , заключалась в том, что инфракрасный свет, излучаемый лазерами на неодимовом стекле (при ~ 1054 нм в вакууме ), сильно взаимодействует с электронами вокруг мишени, теряя значительное количество энергии, которая в противном случае нагрелась бы сама цель. Обычно эта проблема решается с помощью оптического умножителя частоты , который может удвоить или утроить частоту света, переходя в зеленый или ультрафиолетовый диапазон соответственно. Эти более высокие частоты менее сильно взаимодействуют с электронами, передавая мишени больше энергии. HiPER будет использовать утроение частоты драйверов.

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

HiPER отличается от большинства устройств ICF тем, что он также включает в себя второй набор лазеров для непосредственного нагрева сжатого топлива. Нагревательный импульс должен быть очень коротким, примерно от 10 до 20 пс, но это слишком короткое время для хорошей работы усилителей. Для решения этой проблемы HiPER использует метод, известный как усиление чирпированных импульсов (CPA). CPA начинается с короткого импульса 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 оптических задержек. Это «растягивает» импульс в цепочку длиной в несколько наносекунд. Затем импульс отправляется в усилители в обычном режиме. Когда он выходит из линий луча, он рекомбинируется в аналогичном наборе решеток для создания одного очень короткого импульса, но поскольку импульс теперь имеет очень большую 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 излучения по 5 кДж каждый, чтобы генерировать в общей сложности 200 кДж, тогда как сторона зажигания требует 24 канала излучения чуть менее 3 кДж, чтобы генерировать в общей сложности 70 кДж. Точное количество и мощность лучей в настоящее время являются предметом исследований. На нагревателях также будет использовано умножение частоты, но пока не решено, будет ли использоваться удвоение или утроение; последний передает больше энергии на цель, но менее эффективно преобразует свет. По состоянию на 2007 год базовый план основан на удвоении уровня зеленого цвета.

Быстрое зажигание и HiPER

В традиционных устройствах ICF драйверный лазер используется для сжатия мишени 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 воспламенения, быстро выросло по сравнению с первоначальными оценками. В «первые дни» исследований ICF в 1970-х годах считалось, что всего лишь 1 килоджоуля (кДж). достаточно и был построен ряд экспериментальных лазеров для достижения этих уровней мощности. Когда они это сделали, оказалось, что ряд проблем, обычно связанных с однородностью коллапса, серьезно нарушил симметрию имплозии и привел к гораздо более низким температурам ядра, чем первоначально ожидалось. В течение 1980-х годов расчетная энергия, необходимая для воспламенения, выросла до мегаджоульного диапазона, что, по-видимому, сделало ICF непрактичным для производства энергии термоядерного синтеза. Например, Национальная установка зажигания (NIF) использует около 420 МДж электроэнергии для накачки драйверных лазеров, и в лучшем случае ожидается, что она будет производить около 20 МДж термоядерной мощности. Без значительного увеличения производительности такое устройство никогда не станет практическим источником энергии.

Подход с быстрым зажиганием пытается избежать этих проблем. Вместо использования ударной волны для создания условий, необходимых для синтеза выше диапазона воспламенения, этот подход непосредственно нагревает топливо. Это гораздо более эффективно, чем ударная волна, которая становится менее важной. В HiPER сжатие, обеспечиваемое драйвером, «хорошее», но далеко не такое, как в более крупных устройствах, таких как NIF; Драйвер HiPER имеет энергию около 200 кДж и обеспечивает плотность около 300 г/см. ³ . Это примерно треть от мощности NIF и примерно столько же, сколько генерировало более ранний лазер NOVA 1980-х годов. Для сравнения, свинца 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 с плотностью около 0,1 г/см. ³ .

Воспламенение начинается с помощью очень короткого (~ 10 пикосекунд) сверхмощного (~ 70 кДж, 4 ПВт) лазерного импульса, направленного через отверстие в плазме в ядре. Свет этого импульса взаимодействует с холодным окружающим топливом, создавая поток релятивистских электронов высокой энергии (3,5 МэВ), которые попадают в топливо. Электроны нагревают точку на одной стороне плотного ядра, и если этот нагрев достаточно локализован, ожидается, что эта область выйдет далеко за пределы энергий воспламенения.

Общая эффективность этого подхода во много раз превышает эффективность традиционного подхода. В случае NIF лазер генерирует около 4 МДж инфракрасной энергии для создания воспламенения, которое выделяет около 20 МДж энергии. Это соответствует «приросту термоядерного синтеза» — отношению входной мощности лазера к выходной термоядерной мощности — около 5. Если использовать базовые предположения для текущей конструкции HiPER, два лазера (драйвер и нагреватель) производят в общей сложности около 270 кДж. , но при этом генерируют от 25 до 30 МДж, прирост около 100. Учитывая разнообразие потерь, прогнозируется, что фактический выигрыш составит около 72. Он не только значительно превосходит NIF по производительности, но и создание меньших по размеру лазеров гораздо дешевле. Ожидается, что с точки зрения соотношения мощности и стоимости HiPER будет примерно на порядок дешевле, чем традиционные устройства, такие как NIF.

Сжатие уже является достаточно хорошо изученной проблемой, и HiPER в первую очередь заинтересована в изучении точной физики процесса быстрого нагрева. Неясно, насколько быстро электроны останавливаются в топливной загрузке; хотя это известно для материи при нормальном давлении, это не относится к сверхплотным состояниям сжатого топлива. Чтобы работать эффективно, электроны должны останавливаться на как можно меньшем расстоянии, выделять свою энергию в небольшое пятно и тем самым повышать температуру (энергию на единицу объема) как можно выше.

Вопрос о том, как направить лазерный луч на это место, также является предметом дальнейших исследований. Один из подходов использует короткий импульс другого лазера для нагрева плазмы снаружи плотного «ядра», по сути 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 площадь оболочки мишени; при нагреве в этой области плазма не создается, оставляя отверстие, в которое можно направить лазер, направляя лазер на внутреннюю поверхность конуса. HiPER в настоящее время планирует использовать подход с золотым конусом, но, вероятно, также изучит и решение для сжигания.

Связанные исследования

В 2005 году HiPER завершила предварительное исследование, в котором были изложены возможные подходы и аргументы в пользу его построения. Отчет получил положительные отзывы со стороны ЕК в июле 2007 года, а в начале 2008 года перешел на этап подготовительного проектирования, а детальное проектирование строительства начнется в 2011 или 2012 году.

Параллельно проект HiPER также предлагает создавать лазерные системы меньшего размера с более высокой частотой повторения. Мощные лампы-вспышки, используемые для накачки стекла лазерного усилителя, заставляют его деформироваться, и его нельзя снова запустить, пока оно не остынет, что занимает около суток. Кроме того, лишь очень небольшое количество вспышки белого света, генерируемого трубками, имеет нужную частоту, чтобы быть поглощенной неодимовым стеклом и, таким образом, привести к усилению, обычно только от 1 до 1,5% энергии, подаваемой в трубки. попадает в луч лазера.

Ключом к предотвращению этих проблем является замена ламп-вспышек на более эффективные накачки, обычно на основе лазерных диодов . Они гораздо более эффективно генерируют свет из электричества и, следовательно, работают намного холоднее. Что еще более важно, свет, который они генерируют, довольно монохроматичен и может быть настроен на частоты, которые легко поглощаются. Это означает, что для производства определенного количества лазерного света необходимо использовать гораздо меньше энергии, что еще больше 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 этот показатель на 20%.

Текущий статус

Дальнейшие исследования в области быстрого зажигания поставили под серьезные сомнения его будущее. К 2013 году Национальная академия наук США пришла к выводу, что это больше не является целесообразным направлением исследований, заявив: «В настоящее время быстрое зажигание кажется менее многообещающим подходом для IFE, чем другие концепции зажигания».

См. также

• Мегаджоульный лазер

Библиография

• Майк Данн и др., « Отчет о технических характеристиках и концептуальном проектировании HiPER за 2007 г. », июнь 2007 г.
• Майк Данн и др., « HiPER: установка лазерного синтеза для Европы », 2005 г.
• Эдвин Картлидж, « Европа планирует установку лазерного синтеза », «Мир физики» , 2 сентября 2005 г.
• Герстнер, Эд (2007), «Лазерная физика: экстремальный свет», Nature , 446 (7131): 16–18, Bibcode : 2007Natur.446...16G , doi : 10.1038/446016a , PMID   17330018 , S2CID   4388058

Внешние ссылки

• HiPER Project – Домашняя страница проекта
• Быстрый путь к синтезу – включает изображение подхода «золотой конус»
• Эксперименты по гидродинамической неустойчивости на лазере GEKKO XII/HIPER — для сравнения одноименный японский эксперимент.
• Лазерное зрение способствует будущему энергетики – репортаж BBC
• Профессор Майк Данн, директор Центральной лазерной установки Великобритании, о европейских планах по созданию термоядерной энергии , Ingenia , декабрь 2007 г. журнал
• HiPER Power – статья на сайте Physics.org, август 2009 г.