HiPER

Układ HiPER ze wstępnego studium projektowego.

Ośrodek badań nad energią lasera dużej mocy ( HiPER ) to proponowane eksperymentalne urządzenie do fuzji inercyjnej (ICF) napędzane laserem, które przechodzi wstępny projekt do ewentualnej budowy w Unii Europejskiej . Od 2019 roku wysiłek wydaje się być nieaktywny.

HiPER został zaprojektowany w celu zbadania podejścia „szybkiego zapłonu” do generowania syntezy jądrowej , które wykorzystuje znacznie mniejsze lasery niż konwencjonalne konstrukcje ICF, ale wytwarza moc wyjściową syntezy jądrowej o mniej więcej tej samej wielkości. Daje to całkowity „ zysk fuzji ”, który jest znacznie wyższy niż w przypadku urządzeń takich jak National Ignition Facility (NIF) oraz około dziesięciokrotną redukcję kosztów budowy. Otworzyło to okno do szybkiego zbudowania małej maszyny, która osiągnęłaby zapłon przed NIF. HiPER i japońskie projekty FIREX miały na celu zbadanie tego podejścia.

Jednak badania nad podejściem szybkiego zapłonu na mniejszych maszynach, takich jak laser Omega w USA, wykazały szereg problemów z tą koncepcją. Inne alternatywne podejście, zapłon szokowy , zaczęło przejmować przyszły rozwój począwszy od około 2012 roku. Wydaje się, że od tego czasu HiPER i FIREX nie widziały żadnego dodatkowego rozwoju.

HiPER nie powinien być mylony z wcześniejszym urządzeniem ICF w Japonii znanym jako „HIPER”, które nie działało od jakiegoś czasu.

Tło

Główny artykuł: mechanizm ICF

do fuzji bezwładnościowej (ICF) wykorzystują „sterowniki” do szybkiego ogrzewania zewnętrznych warstw „celu” w celu jego ściśnięcia. Celem jest mała kulista kulka zawierająca kilka miligramów paliwa fuzyjnego, zwykle mieszanki deuteru i trytu lub „DT”. Ciepło lasera wypala powierzchnię kulki w plazmę , która eksploduje z powierzchni. Pozostała część celu jest kierowana do wewnątrz z powodu trzeciego prawa Newtona , zapadając się w mały punkt o bardzo dużej gęstości. Gwałtowny wydmuch również tworzy falę uderzeniową który przemieszcza się w kierunku środka sprężonego paliwa. Kiedy dociera do środka paliwa i napotyka wstrząs z drugiej strony celu, energia w środku dalej ogrzewa i kompresuje niewielką objętość wokół niej. Jeśli temperatura i gęstość tej małej plamki mogą wzrosnąć wystarczająco wysoko, zajdą reakcje fuzji. To podejście jest obecnie znane jako „zapłon gorącego punktu”, aby odróżnić je od nowych podejść.

Reakcje syntezy jądrowej uwalniają wysokoenergetyczne cząstki, z których niektóre (głównie cząstki alfa ) zderzają się z otaczającym je paliwem o dużej gęstości i spowalniają. Powoduje to podgrzanie otaczającego paliwa i może potencjalnie spowodować, że paliwo również ulegnie stopieniu. Przy odpowiednich ogólnych warunkach sprężonego paliwa – odpowiednio wysokiej gęstości i temperaturze – ten proces ogrzewania może spowodować reakcję łańcuchową , spalanie na zewnątrz od środka. Jest to stan znany jako „zapłon”, który może prowadzić do fuzji znacznej części paliwa w celu i uwolnienia znacznych ilości energii.

Do tej pory większość eksperymentów ICF wykorzystywała lasery do ogrzewania celów. Z obliczeń wynika, że ​​energia musi zostać dostarczona szybko, aby skompresować rdzeń, zanim się rozłoży, a także wytworzyć odpowiednią falę uderzeniową. Energia musi być również skupiona wyjątkowo równomiernie na zewnętrznej powierzchni celu, aby zapaść paliwo w symetryczny rdzeń. Chociaż sugerowano inne „sterowniki”, zwłaszcza ciężkie jony napędzane w akceleratorach cząstek , lasery są obecnie jedynymi urządzeniami o odpowiedniej kombinacji funkcji.

Opis

W przypadku HiPER system lasera sterującego jest podobny do istniejących systemów, takich jak NIF, ale znacznie mniejszy i mniej wydajny.

Sterownik składa się z kilku „linii wiązki” zawierających wzmacniacze laserowe Nd: szkło na jednym końcu budynku. Tuż przed wypaleniem szkło jest „pompowane” do stanu wysokoenergetycznego za pomocą serii ksenonowych lamp błyskowych , powodując inwersję populacji atomów neodymu (Nd) w szkle. To przygotowuje je do wzmocnienia poprzez wymuszoną emisję , gdy niewielka ilość światła laserowego jest generowana zewnętrznie w światłowodzie , jest wprowadzany do linii wiązki. Szkło nie jest szczególnie skuteczne w przekazywaniu energii do wiązki, więc aby uzyskać jak najwięcej mocy z powrotem, wiązka jest czterokrotnie odbijana przez szkło w lustrzanej wnęce, za każdym razem zyskując większą moc. Po zakończeniu tego procesu komórka Pockelsa „wyłącza” światło z jamy. Jednym z problemów projektu HiPER jest to, że szkło Nd:szkło nie jest już produkowane komercyjnie, dlatego należy przeanalizować szereg opcji, aby zapewnić dostawę szacowanych 1300 dysków.

Stamtąd światło lasera jest podawane do bardzo długiego filtra przestrzennego w celu oczyszczenia powstałego impulsu. Filtr jest zasadniczo teleskopem, który skupia wiązkę w miejscu znajdującym się w pewnej odległości, gdzie mały otworek znajdujący się w ognisku odcina wszelkie „zabłąkane” światło spowodowane niejednorodnością wiązki laserowej. Wiązka następnie rozszerza się, aż druga soczewka ponownie przywróci jej prostą wiązkę. To zastosowanie filtrów przestrzennych prowadzi do długich linii wiązki widocznych w urządzeniach laserowych ICF. W przypadku HiPER filtry zajmują około 50% całkowitej długości. Szerokość wiązki na wyjściu układu napędowego wynosi około 40 cm × 40 cm.

Jednym z problemów napotkanych w poprzednich eksperymentach, zwłaszcza z laserem Shiva , było to, że światło podczerwone dostarczane przez lasery ze szkła Nd: (przy ~ 1054 nm w próżni ) silnie łączy się z elektronami wokół celu, tracąc znaczną ilość energii, która w przeciwnym razie podgrzałby sam cel. Zwykle rozwiązuje się to poprzez zastosowanie mnożnika częstotliwości optycznej , który może podwoić lub potroić częstotliwość światła, przechodząc w zieleń lub ultrafiolet odpowiednio. Te wyższe częstotliwości oddziałują słabiej z elektronami, przekazując więcej mocy do celu. HiPER użyje potrojenia częstotliwości w sterownikach.

Po zakończeniu procesu amplifikacji światło lasera wchodzi do komory eksperymentalnej, która znajduje się na jednym końcu budynku. Tutaj odbija się od szeregu odkształcalnych luster, które pomagają korygować pozostałe niedoskonałości czoła fali, a następnie wprowadza je do komory docelowej ze wszystkich stron. Ponieważ całkowite odległości od końców linii do różnych punktów komory docelowej są różne, na poszczególnych ścieżkach wprowadza się opóźnienia, aby zapewnić, że wszystkie dotrą do środka komory w tym samym czasie, w ciągu około 10 pikosekund (ps). Cel, granulka paliwa fuzyjnego o średnicy około 1 mm w przypadku HiPER, leży w środku komory.

HiPER różni się od większości urządzeń ICF tym, że zawiera również drugi zestaw laserów do bezpośredniego podgrzewania sprężonego paliwa. Impuls grzewczy musi być bardzo krótki, około 10 do 20 ps, ​​ale to zbyt krótki czas, aby wzmacniacze dobrze działały. Aby rozwiązać ten problem, HiPER wykorzystuje technikę znaną jako wzmocnienie impulsu ćwierkającego (CPA). CPA rozpoczyna się od krótkiego impulsu ze źródła laserowego o szerokim paśmie (wieloczęstotliwościowym), w przeciwieństwie do sterownika, który wykorzystuje źródło monochromatyczne (jednoczęstotliwościowe). Światło z tego początkowego impulsu jest dzielone na różne kolory za pomocą pary siatek dyfrakcyjnych i opóźnienia optyczne. To „rozciąga” impuls w łańcuch o długości kilku nanosekund. Impuls jest następnie wysyłany do wzmacniaczy w normalny sposób. Kiedy opuszcza linie wiązki, jest ponownie łączony w podobny zestaw siatek, aby wytworzyć pojedynczy bardzo krótki impuls, ale ponieważ impuls ma teraz bardzo dużą moc, siatki muszą być duże (około 1 m) i znajdować się w próżni. Dodatkowo poszczególne wiązki muszą mieć ogólnie niższą moc; strona sprężania systemu wykorzystuje 40 linii wiązki po około 5 kJ każda, aby wygenerować łącznie 200 kJ, podczas gdy strona zapłonu wymaga 24 linii wiązki o mocy nieco poniżej 3 kJ, aby wygenerować łącznie 70 kJ. Dokładna liczba i moc linii badawczych są obecnie przedmiotem badań. Zwielokrotnienie częstotliwości będzie również stosowane w grzejnikach, ale jeszcze nie zdecydowano, czy zastosować podwojenie, czy potrojenie; ten ostatni daje więcej mocy celowi, ale jest mniej wydajny w przetwarzaniu światła. Od 2007 roku podstawowy projekt opiera się na podwojeniu na zielono.

Szybki zapłon i HiPER

W tradycyjnych urządzeniach ICF laser sterujący służy do kompresji celu do bardzo dużej gęstości. Fala uderzeniowa wytworzona w tym procesie dodatkowo podgrzewa sprężone paliwo, gdy zderza się ono w środku kuli. Jeśli kompresja jest wystarczająco symetryczna, wzrost temperatury może stworzyć warunki zbliżone do kryterium Lawsona i doprowadzić do zapłonu.

Ilość energii lasera potrzebnej do skutecznego skompresowania celów do warunków zapłonu gwałtownie wzrosła od wczesnych szacunków. W „wczesnych dniach” badań ICF w latach 70. wierzono, że wystarczy zaledwie 1 kilodżul (kJ), i zbudowano szereg eksperymentalnych laserów, aby osiągnąć te poziomy mocy. Kiedy to zrobili, okazało się, że seria problemów, zazwyczaj związanych z jednorodnością zawalenia, poważnie zakłóciła symetrię implozji i doprowadziła do znacznie niższych temperatur rdzenia, niż pierwotnie oczekiwano. W latach osiemdziesiątych szacowana energia potrzebna do zapłonu wzrosła do zakresu megadżuli, co wydawało się sprawiać, że ICF był niepraktyczny do produkcji energii termojądrowej. Na przykład National Ignition Facility (NIF) wykorzystuje około 420 MJ energii elektrycznej do pompowania laserów sterujących, aw najlepszym przypadku oczekuje się, że wyprodukuje około 20 MJ mocy wyjściowej syntezy jądrowej. Bez dramatycznego wzrostu wydajności takie urządzenie nigdy nie byłoby praktycznym źródłem energii.

Metoda szybkiego zapłonu ma na celu uniknięcie tych problemów. Zamiast wykorzystywać falę uderzeniową do stworzenia warunków potrzebnych do syntezy jądrowej powyżej zakresu zapłonu, podejście to bezpośrednio ogrzewa paliwo. Jest to znacznie skuteczniejsze niż fala uderzeniowa, która staje się mniej ważna. W HiPER kompresja zapewniana przez sterownik jest „dobra”, ale nie w przybliżeniu taka, jaką zapewniają większe urządzenia, takie jak NIF; Sterownik HiPER ma około 200 kJ i wytwarza gęstość około 300 g/cm 3 . To mniej więcej jedna trzecia NIF i mniej więcej tyle samo, ile wygenerował wcześniejszy laser NOVA z lat 80. Dla porównania ołów ma około 11 g/cm 3 , więc nadal oznacza to znaczną kompresję, zwłaszcza gdy weźmie się pod uwagę, że wnętrze celu zawierało lekkie paliwo DT około 0,1 g/cm 3 .

Zapłon jest inicjowany przez bardzo krótki (~10 pikosekund) impuls laserowy o bardzo dużej mocy (~70 kJ, 4 PW), skierowany przez otwór w plazmie w rdzeń. Światło z tego impulsu oddziałuje z chłodnym otaczającym paliwem, generując deszcz relatywistycznych elektronów o wysokiej energii (3,5 MeV), które są wbijane do paliwa. Elektrony ogrzewają punkt po jednej stronie gęstego rdzenia, a jeśli to ogrzewanie jest wystarczająco zlokalizowane, oczekuje się, że przesunie ten obszar znacznie poza energie zapłonu.

Ogólna skuteczność tego podejścia jest wielokrotnie większa niż w przypadku podejścia konwencjonalnego. W przypadku NIF laser generuje około 4 MJ podczerwieni , aby wytworzyć zapłon, który uwalnia około 20 MJ energii. Odpowiada to „wzmocnieniu syntezy jądrowej” — stosunkowi wejściowej mocy lasera do wyjściowej mocy syntezy jądrowej — około 5. Jeśli przyjąć podstawowe założenia dla obecnego projektu HiPER, oba lasery (sterownik i grzejnik) wytwarzają łącznie około 270 kJ , a jednocześnie generują od 25 do 30 MJ, zysk około 100. Biorąc pod uwagę różne straty, przewiduje się, że rzeczywisty zysk wyniesie około 72. Nie tylko przewyższa to NIF o szeroki margines, ale mniejsze lasery są znacznie tańsze w budowie . Jeśli chodzi o stosunek mocy do kosztów, oczekuje się, że HiPER wyniesie ok o rząd wielkości tańsze niż konwencjonalne urządzenia, takie jak NIF.

Kompresja jest już dość dobrze poznanym problemem, a HiPER jest przede wszystkim zainteresowany badaniem dokładnej fizyki procesu szybkiego nagrzewania. Nie jest jasne, jak szybko elektrony zatrzymują się w ładunku paliwa; chociaż jest to znane w przypadku materii pod normalnym ciśnieniem, nie dotyczy ultra-gęstych warunków sprężonego paliwa. Aby działać wydajnie, elektrony powinny zatrzymywać się w jak najmniejszej odległości, aby uwolnić swoją energię w małym miejscu i tym samym podnieść temperaturę (energię na jednostkę objętości) do jak najwyższego poziomu.

To, jak skierować światło lasera na to miejsce, jest również kwestią do dalszych badań. Jedno podejście wykorzystuje krótki impuls z innego lasera do ogrzania plazmy na zewnątrz gęstego „rdzenia”, zasadniczo wypalając w nim dziurę i odsłaniając gęste paliwo w środku. Podejście to zostanie przetestowane w OMEGA-EP w USA. Inne podejście, pomyślnie przetestowane na GEKKO XII w Japonii, wykorzystuje mały złoty stożek, który przecina niewielki obszar powłoki docelowej; podczas ogrzewania w tym obszarze nie tworzy się plazma, pozostawiając otwór, w który można wycelować, kierując laser na wewnętrzną powierzchnię stożka. HiPER planuje obecnie zastosować podejście ze złotym stożkiem, ale prawdopodobnie zbada również płonące rozwiązanie.

Powiązane badania

W 2005 r. HiPER zakończył wstępne badanie przedstawiające możliwe podejścia i argumenty przemawiające za jego budową. Raport otrzymał pozytywne recenzje od KE w lipcu 2007 r. i przeszedł do fazy przygotowawczej projektu na początku 2008 r., a szczegółowe projekty budowlane rozpoczęły się w 2011 lub 2012 r. [ Potrzebne źródło ]

Równolegle projekt HiPER proponuje również budowę mniejszych systemów laserowych o wyższych częstotliwościach powtarzania. Lampy błyskowe o dużej mocy używane do pompowania szkła wzmacniacza laserowego powodują jego deformację i nie można go ponownie wystrzelić, dopóki nie ostygnie, co trwa nawet jeden dzień. Dodatkowo tylko bardzo mała ilość błysku białego światła generowanego przez lampy ma odpowiednią częstotliwość do pochłonięcia przez szkło Nd: i tym samym prowadzi do wzmocnienia, na ogół tylko około 1 do 1,5% energii dostarczanej do rur kończy się w promieniu lasera.

Kluczem do uniknięcia tych problemów jest zastąpienie lamp błyskowych wydajniejszymi pompami, zwykle opartymi na diodach laserowych . Są one znacznie bardziej wydajne w generowaniu światła z energii elektrycznej, a zatem działają znacznie chłodniej. Co ważniejsze, światło, które generują, jest dość monochromatyczne i można je dostroić do częstotliwości, które można łatwo wchłonąć. Oznacza to, że do wytworzenia określonej ilości światła laserowego potrzeba znacznie mniej energii, co jeszcze bardziej zmniejsza ogólną ilość generowanego ciepła. Poprawa wydajności może być dramatyczna; istniejące urządzenia eksperymentalne działają z ogólną wydajnością około 10% i uważa się, że urządzenia „w najbliższym czasie” poprawią to nawet o 20%.

Aktualny stan

Dalsze badania nad podejściem do szybkiego zapłonu budzą poważne wątpliwości co do jego przyszłości. Do 2013 roku Narodowa Akademia Nauk Stanów Zjednoczonych stwierdziła, że ​​​​nie jest to już opłacalny kierunek badań, stwierdzając: „W tej chwili szybki zapłon wydaje się być mniej obiecującym podejściem do IFE niż inne koncepcje zapłonu”.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=HiPER&oldid=1136203509 ”