HiPER - HiPER

В Центр исследования энергии лазера высокой мощности (HiPER), является предлагаемым экспериментальным лазерным термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF) устройство находится в стадии предварительного проектирования для возможного строительства в Евросоюз. По состоянию на 2019 год, усилие неактивно.

HiPER был разработан для изучения подхода "быстрого зажигания" к генерации термоядерная реакция, который использует гораздо меньшие лазеры чем обычные конструкции ICF, но дает выходную мощность термоядерного синтеза примерно такой же величины. Это предлагает всего "усиление синтеза "что намного выше, чем у устройств, подобных Национальный центр зажигания (NIF) и снижение 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 более мелких машинах, таких как лазер Omega в США, продемонстрировали ряд проблем с этой концепцией. Другой альтернативный подход, шоковое зажигание, начал заниматься будущей разработкой примерно с 2012 года.[1] HiPER и FIREX, похоже, с тех пор не получили дальнейшего развития.

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

Фон

Основная статья: Механизм ICF

Термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF) устройства используют «драйверы» для быстрого нагрева внешних слоев «мишени» для ее сжатия. Мишень представляет собой небольшую сферическую таблетку, содержащую несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно смесь дейтерий и тритий, или "Д-Т". Тепло лазера превращает поверхность гранулы в плазма, который взрывается от поверхности. Оставшаяся часть мишени забивается внутрь за счет Третий закон Ньютона, схлопнувшись в маленькую точку очень высокой плотности. Быстрый сдув также создает ударная волна 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 небольшого 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 первую очередь альфа-частицы ) сталкиваются с топливом 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 цепная реакция, горящие 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», особенно тяжелые ионы, ускорители частиц, в настоящее время лазеры - единственные устройства с правильным сочетанием функций.[4][5]

Описание

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 Nd: стеклянный лазер усилители в одном конце здания. Непосредственно перед обжигом стекло "накачанный" в высокоэнергетическое состояние с серией ксеноновые лампы-вспышки, вызывая инверсия населения из неодим (Nd) атомы в стекле. Это готовит их к усилению через стимулированное излучение когда небольшое количество лазерного света, генерируемого извне в оптоволоконный кабель, 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 будет завершен, Ячейка Поккельса «выключает» свет из полости.[7] Одна из проблем проекта HiPER заключается в том, 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 чтобы очистить получившийся пульс. Фильтр по сути представляет собой 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. Именно 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 Шива лазер, был ли инфракрасный свет, обеспечиваемый лазерами на неодимовом стекле (~ 1054 нм в Vaco) сильно сочетается с электроны вокруг цели, теряя значительное количество энергии, которая в противном случае могла бы нагреть саму цель. Обычно это решается с помощью оптический умножитель частоты, который может удвоить 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 подает 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 пределах 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 в себя 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 технику, известную 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 дифракционные решетки и оптические задержки. Это «растягивает» импульс в цепочку длиной в несколько наносекунд. Затем импульс отправляется в усилители как обычно. Когда он выходит из лучей, 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 дизайн основан на удвоении «зеленого».[11]

Быстрое зажигание и HiPER

В традиционных устройствах ICF драйвер лазера 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 Критерий Лоусона и привести к возгоранию.

Количество энергии лазера, необходимое для эффективного сжатия мишени до условий зажигания, быстро выросло по предварительным оценкам. В «первые дни» исследований ICF в 1970-х считалось, что всего 1килоджоули (кДж) будет достаточно,[12][13] и был построен ряд 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 делало ICF непрактичным для производства термоядерной энергии. Например, Национальный центр зажигания (NIF) использует около 420 МДж электроэнергии для накачки лазеров-драйверов, и в лучшем случае ожидается, что они будут 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 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 треть от NIF, и примерно столько же, сколько было создано более ранним NOVA лазер 1980-х годов. Для сравнения, свинец - около 11 г / см.3, так что это по-прежнему представляет собой значительную степень сжатия, особенно если учесть, что внутри цели содержится легкое D-T 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 поток релятивистских электронов с высокой энергией (3,5 МэВ), которые проникают в топливо. Электроны нагревают пятно на одной стороне плотного ядра, и если это нагревание достаточно локализовано, ожидается, что это приведет к превышению энергий воспламенения.[10]

Общая эффективность этого подхода во много раз выше, чем у обычного подхода. В случае NIF лазер генерирует около 4 МДж энергии. инфракрасный мощность для создания воспламенения, высвобождающего около 20 МДж энергии.[2] Это соответствует «усилению термоядерного синтеза» - отношению входной мощности лазера к выходной мощности термоядерного синтеза - около 5. Если использовать исходные допущения для текущей конструкции HiPER, два лазера (драйвер и нагреватель) в сумме вырабатывают около 270 кДж. , но генерируют от 25 до 30 МДж, то есть выигрыш около 100.[10] Учитывая разнообразие потерь, фактический выигрыш составит около 72.[10] Это не только значительно превосходит NIF, но и меньшие по размеру лазеры гораздо дешевле в изготовлении. С точки зрения соотношения цена / качество ожидается, что HiPER будет примерно порядок величины дешевле, чем обычные устройства типа NIF.

Сжатие - это уже достаточно 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 для сверхплотных условий 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 протестирован на ОМЕГА-ЭП система в США. Другой подход, успешно протестированный на ГЕККО XII лазер в Японии использует небольшой золотой конус, который прорезает небольшую область оболочки цели; при нагревании в этой области не образуется плазма, остается 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]

Связанные исследования

В 2005 году HiPER завершил предварительное исследование, в котором излагаются возможные подходы и аргументы в пользу его строительства. Отчет получил положительные отзывы от Европейской комиссии в июле 2007 года, а в начале 2008 года перешел на подготовительную стадию проектирования с подробными проектами строительства, которое начнется в 2011 или 2012 годах.[нужна цитата ]

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 включить, пока оно не остынет, что занимает целых сутки. Кроме того, только очень небольшое количество вспышки белого света, генерируемой лампами, имеет правильную частоту для поглощения неодимовым стеклом и, таким образом, приводит к усилению, как правило, только от 1 до 1,5% энергии, подаваемой в трубки. попадает в лазерный луч.[14]

Ключом к предотвращению этих проблем является замена импульсных ламп на более эффективные насосы, обычно основанные на лазерные диоды. Они гораздо эффективнее генерируют свет из электричества и, следовательно, работают намного холоднее. Что еще более важно, излучаемый ими свет является довольно монохроматическим и может быть настроен на частоты, которые легко поглощаются. Это означает, что для получения любого конкретного количества лазерного света требуется 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]

Текущее состояние

Дальнейшие исследования в области быстрого зажигания ставят серьезные сомнения в его будущее. К 2013 г. Национальная академия наук США пришел 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Перкинс, LJ (2009). "Шоковое зажигание: новый подход к термоядерному синтезу с высоким коэффициентом усиления инерционного удержания на национальной установке зажигания" (PDF). Письма с физическими проверками. 103 (4): 045004. Bibcode:2009ПхРвЛ.103д5004П. Дои:10.1103 / Physrevlett.103.045004. PMID  19659364.
  2. ^ а б c "Как работает NIF В архиве 27 мая 2010 г. Wayback Machine ", Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. Проверено 2 октября 2007 года.
  3. ^ Пер Ф. Петерсон, Инерционная термоядерная энергия: Учебное пособие по технологии и экономике В архиве 27 сентября 2011 г. Wayback Machine, Калифорнийский университет, Беркли, 1998. Проверено 7 мая 2008 г.
  4. ^ Пер Ф. Петерсон, Как работают цели IFE В архиве 17 июня 2008 г. Wayback Machine, University of California, Berkeley, 1998. Проверено 8 мая 2008 г.
  5. ^ Пер Ф. Петерсон, Драйверы для инерционной термоядерной энергии В архиве 14 сентября 2008 г. Wayback Machine, University of California, Berkeley, 1998. Проверено 8 мая 2008 г.
  6. ^ Данн, 2007, стр. 107
  7. ^ а б Данн, 2007, стр. 147
  8. ^ Данн, 2007, стр. 101
  9. ^ S. Atzeni и др., «Исследование целей быстрого зажигания для проекта HiPER» В архиве 5 декабря 2010 г. Wayback Machine, Физика плазмы, Vol. 15, 056311 (2008), Дои:10.1063/1.2895447
  10. ^ а б c d е ж грамм Данн, 2005
  11. ^ Данн, 2007, стр. 149
  12. ^ Nuckolls et al., Лазерное сжатие вещества до сверхвысокой плотности: термоядерные (CTR) приложения, Природа Vol. 239, 1972, с. 129.
  13. ^ Джон Линдл, Лекция, посвященная медали Эдварда Теллера: эволюция к непрямому приводу и два десятилетия прогресса на пути к воспламенению и горению ICF, 11-й международный семинар по взаимодействию лазеров и связанных с ними плазменных явлениях, декабрь 1994 г. Проверено 7 мая 2008 г.
  14. ^ Данн, 2007, стр. 104
  15. ^ Данн, 2007, стр. 130
  16. ^ Оценка целей термоядерного синтеза с инерционным удержанием (Технический отчет). Национальная академия наук. 2013. с. 65.

Библиография

внешняя ссылка