Войти
Центр исследования энергии лазера высокой мощности (HiPER ) - это предлагаемый экспериментальный лазер -приводимое термоядерное устройство с инерционным удержанием (ICF) в стадии предварительного проектирования для возможного строительства в Европейском Союзе. По состоянию на 2019 год, усилия, похоже, неактивны.
HiPER был разработан для изучения подхода «быстрого зажигания» к созданию ядерного синтеза, который использует гораздо меньшие лазеры, чем обычные конструкции ICF, но при этом производит выходную мощность термоядерного синтеза примерно такой же величины. Это обеспечивает общее «усиление термоядерного синтеза », которое 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 исследование подхода к быстрому зажиганию на более мелких машинах, таких как лазер Omega в США, продемонстрировало ряд проблем с этой концепцией. Другой альтернативный подход, шоковое зажигание, начал развиваться в будущем, начиная примерно с 2012 года. HiPER и FIREX, похоже, с того времени не получили дальнейшего развития.
HiPER не следует путать с более ранним устройством ICF в Японии, известным как «HIPER», которое некоторое время не использовалось.
Термоядерные устройства с инерционным ограничением (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 смесь дейтерия и трития, или «D-T». Тепло лазера выжигает поверхность таблетки до образования плазмы , которая отрывается от поверхности. Оставшаяся часть мишени движется внутрь в соответствии с третьим законом Ньютона, схлопываясь в маленькую точку очень высокой плотности. Быстрый выброс также создает ударную волну, которая 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 горячих точек», чтобы отличать его от новых подходов.
В реакциях синтеза высвобождаются частицы высокой энергии, некоторые из которых (в основном альфа-частицы ) сталкиваются с топливо высокой плотности вокруг него и замедлить. 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 от центра. Это состояние, известное как «зажигание», которое может привести к термоядерному соединению значительной части топлива в мишени и высвобождению значительного количества энергии.
На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для этого использовались лазеры. нагреть мишени. 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 были предложены другие «драйверы», в частности тяжелые ионы, приводимые в ускорители частиц, в настоящее время лазеры являются единственными устройствами с правильной комбинацией функций.
В В случае HiPER лазерная система с драйвером похожа на существующие системы, такие как NIF, но значительно меньше и менее мощная.
Драйвер состоит из ряда «лучей», содержащих усилители лазера на неодимовом стекле на одном конце здания. Непосредственно перед обжигом стекло «перекачивается» в высокоэнергетическое состояние с помощью серии ксеноновых импульсных ламп, вызывая инверсию заселенности атомы неодима (Nd) в стекле. Это подготавливает их к усилению с помощью стимулированного излучения, когда небольшое количество лазерного света, генерируемого извне в волоконно-оптическом, подается в лучи. 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. Когда этот процесс завершен, ячейка Поккельса «выключает» свет из полости. Одна из проблем для 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.
Оттуда направляется лазерный свет. 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 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 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.
Одна из проблем, с которыми столкнулись в предыдущих экспериментах, особенно с лазером Shiva, заключалась в том, что инфракрасный свет, создаваемый лазерами на неодимовом стекле (с длиной волны ~ 1054 нм в вакууме), сильно взаимодействует с электронами вокруг мишени, теряя значительное количество энергии, которая в противном случае нагревала бы саму мишень. Обычно это решается за счет использования оптического умножителя 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.
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 дефекты волнового фронта, а затем направляет их в целевую камеру со всех углов. Поскольку общие расстояния от концов лучей до разных точек на целевой камере различны, 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.
HiPER отличается от большинства устройств ICF тем, что он также включает второй набор лазеров для непосредственного нагрев сжатого топлива. Импульс нагрева должен быть очень коротким, длительностью примерно 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 оптических задержек. 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. 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.
В традиционных устройствах ICF драйвер лазерного излучения 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 возгоранию.
Количество энергии лазера, необходимое для эффективного сжатия целей до условий воспламенения, быстро выросло по предварительным оценкам. В «первые дни» исследований ICF в 1970-х годах считалось, что достаточно всего 1 килоджоулей (кДж), 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, National Ignition Facility (NIF) использует около 420 МДж электроэнергии для накачки задающих лазеров, и в лучшем случае ожидается, что он будет производить около 20 МДж выходной мощности термоядерного синтеза. Без значительного увеличения мощности такое устройство никогда не было бы практическим источником энергии.
Метод быстрого зажигания 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. Это примерно одна треть от NIF, и примерно столько же, сколько было сгенерировано более ранним лазером NOVA 1980-х годов. Для сравнения, свинец составляет около 11 г / см, поэтому это все еще представляет собой значительную степень сжатия, особенно если учесть, что внутри цели содержится легкое DT-топливо около 0,1 г / см.
Возгорание начинается при очень сильном сжатии. -короткий (~ 10 пикосекунд) сверхмощный (~ 70 кДж, 4 ПВт) лазерный импульс, направленный через отверстие в плазме в ядре. Свет от этого импульса взаимодействует с холодным окружающим топливом, генерируя поток релятивистских электронов высокой энергии (3,5 МэВ), которые проникают в топливо. Электроны нагревают пятно на одной стороне плотной сердцевины, и, если этот нагрев достаточно локализован, ожидается, что он приведет к значительному превышению энергии зажигания.
Общая эффективность этого подхода во много раз выше, чем у традиционный подход. В случае NIF лазер генерирует около 4 МДж инфракрасной мощности для создания зажигания, которое высвобождает около 20 МДж энергии. 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) в сумме вырабатывают около 270 кДж., но генерируют от 25 до 30 МДж, что составляет около 100. С учетом различных потерь фактическое усиление, по прогнозам, составит около 72. Это не только значительно превосходит NIF, но и меньшие лазеры намного дешевле в изготовлении.. С точки зрения соотношения цена / качество ожидается, что HiPER будет примерно на порядок дешевле, чем традиционные устройства, такие как 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 меньшем 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 требует дальнейших исследований. Один подход использует короткий импульс от другого лазера для нагрева плазмы за пределами плотной «сердцевины», по существу прожигая в ней дыру и обнажая плотное топливо внутри. Этот подход будет протестирован на системе OMEGA-EP в США. Другой подход, успешно протестированный на лазере GEKKO XII 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 горящий раствор.
В 2005 году HiPER завершила предварительное исследование, в котором излагаются возможные подходы и аргументы в пользу его конструкции.. Отчет получил положительные отзывы от ЕК в июле 2007 года, и в начале 2008 года он перешел на подготовительную стадию проектирования с детальным проектированием строительства, которое начнется в 2011 или 2012 году.
Параллельно проект HiPER также предлагает строить меньшие размеры 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, 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.
Ключом к устранению этих проблем является замена ламп-вспышек более эффективными насосами, обычно на основе лазерных диодов. Они гораздо эффективнее генерируют свет из электричества и, следовательно, работают намного холоднее. Что еще более важно, свет, который они действительно 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%.
Дальнейшие исследования в области быстрого зажигания ставит под сомнение 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».
Портал ядерных технологий 
Энергетический портал 
Физический портал 