Нова (лазер)

Nova был мощным лазером, построенным в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) в Калифорнии , США, в 1984 году, которая проводила передовые эксперименты по инерциальному удержанию термоядерного синтеза (ICF) до своего демонтажа в 1999 году. Nova был первым экспериментом ICF, построенным с намерением достичь «воспламенения», состояния, при котором самонагрев термоядерной плазмы превышает все потери. Хотя Nova не достигла этой цели, полученные ею данные четко определили проблему как в основном результат неустойчивости Рэлея-Тейлора , что привело к созданию Национального центра зажигания , преемника Nova. Nova также сгенерировала значительные объемы данных по физике материи высокой плотности, независимо от отсутствия зажигания, что полезно как в термоядерной энергетике , так и в исследованиях ядерного оружия .

Устройства инерциального термоядерного синтеза (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 смеси дейтерия и трития . Тепло управляющего лазера сжигает поверхность таблетку в плазму , которая взрывается на поверхности. Оставшаяся часть мишени движется внутрь из-за третьего закона Ньютона , в конечном итоге схлопываясь в маленькую точку очень высокой плотности. ^[1]

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 ударной волне еще больше нагревает и сжимает крошечный объем вокруг нее. Если температуру и плотность этого небольшого пятна можно поднять достаточно высоко, в небольшой части топлива начнутся реакции синтеза. ^[1]

Реакции синтеза высвобождают высокоэнергетические частицы, некоторые из которых (в основном альфа-частицы ) сталкиваются с оставшимся высокоплотным топливом вокруг него и замедляются. Это нагревает топливо и может потенциально привести к тому, что это топливо также подвергнется синтезу. При правильных общих условиях сжатого топлива — достаточно высокой температуре и достаточно высокому произведению плотности и времени, в течение которого плазма удерживается собственной инерцией — этот процесс нагрева может привести к воспламенению, инициируя волну горения наружу от центральной горячей точки. ^[2]

На сегодняшний день большинство экспериментов ICF использовали лазеры для нагрева мишеней. Расчеты показывают, что энергия должна быть доставлена ​​быстро, чтобы сжать ядро ​​до его развала, а также создать подходящую ударную волну. Энергия также должна быть сфокусирована чрезвычайно равномерно по внешней поверхности мишени, чтобы схлопнуть топливо в симметричное ядро. Хотя были предложены другие «двигатели», в частности, тяжелые ионы, приводимые в движение в ускорителях частиц , лазеры в настоящее время являются единственными устройствами с правильным сочетанием характеристик. ^{[3] [4]}

История LLNL с программой ICF началась с физика Джона Наколлса, который в 1972 году предсказал, что зажигание может быть достигнуто с помощью лазерной энергии около 1 кДж, в то время как для «высокого усиления» потребуется энергия около 1 МДж. ^{[5] [6]} Хотя это звучит как очень низкая мощность по сравнению с современными машинами, в то время это было просто за пределами современного уровня техники и привело к появлению ряда программ по производству лазеров в этом диапазоне мощности.

До строительства Nova, LLNL спроектировала и построила ряд все более крупных лазеров, которые исследовали проблемы базовой конструкции ICF. LLNL в первую очередь интересовался лазером на неодимовом стекле , который в то время был одним из немногих известных высокоэнергетических лазеров. LLNL решила сосредоточиться 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 ). Строительство больших лазеров на неодимовом стекле ранее не предпринималось, и ранние исследования LLNL были сосредоточены в основном на том, как сделать эти устройства. ^[7]

Одной из проблем была однородность лучей. Даже незначительные изменения интенсивности лучей приводили к «самофокусировке» в воздушной и стеклянной оптике в процессе, известном как линзирование Керра . Результирующий луч включал в себя небольшие «нити» чрезвычайно высокой интенсивности света, настолько высокой, что она могла повредить стеклянную оптику устройства. Эта проблема была решена в лазере Cyclops с введением техники пространственной фильтрации . За Cyclops последовал лазер Argus большей мощности, который исследовал проблемы управления более чем одним лучом и более равномерного освещения цели. ^[7] Вся эта работа достигла кульминации в лазере Shiva , концептуальном проекте для системы высокой мощности, которая включала 20 отдельных «лазерных усилителей», которые были направлены вокруг цели для ее освещения. ^[8]

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 начального нагрева в процессе вынужденного комбинационного рассеяния . Этот процесс, называемый «предварительным нагревом горячих электронов», уносил большое количество энергии лазера, а также заставлял ядро ​​мишени нагреваться до того, как оно достигало максимального сжатия. Это означало, что в центре коллапса выделялось гораздо меньше энергии, как из-за снижения энергии имплозии, так и из-за внешней силы нагретого ядра. Хотя было известно, что более короткие длины волн уменьшат эту проблему, ранее ожидалось, что ИК-частоты, используемые в Шиве, будут «достаточно короткими». Это оказалось не так. ^[9]

Решение этой проблемы было исследовано в форме эффективных умножителей частоты , оптических устройств, которые объединяют несколько фотонов в один с более высокой энергией, и, таким образом, частотой. Эти устройства были быстро введены и экспериментально проверены на лазере OMEGA и других, доказав свою эффективность. Хотя процесс эффективен только на 50%, и половина исходной мощности лазера теряется, полученный ультрафиолетовый свет гораздо эффективнее связывается с целевой плазмой и гораздо эффективнее в коллапсе цели до высокой плотности.

Имея эти решения на руках, LLNL решила построить устройство с мощностью, необходимой для создания условий зажигания. Проектирование началось в конце 1970-х годов, а вскоре последовало строительство, начавшееся с испытательного лазера Novette для проверки базовой конструкции пучка 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.

На начальном этапе строительства Наколлс обнаружил ошибку в своих расчетах, и обзор в октябре 1979 года под председательством Джона Фостера-младшего из TRW подтвердил, что Nova никак не сможет достичь зажигания. Затем конструкция Nova была изменена в меньшую конструкцию, которая добавила преобразование частоты в свет 351 нм, что увеличило эффективность связи. ^[10] «Новая Nova» появилась как система с десятью лазерными усилителями, или каналами пучка . Каждый канал пучка состоял из ряда усилителей на основе неодимового стекла, разделенных пространственными фильтрами и другой оптикой для очистки полученных лучей. Хотя методы складывания каналов пучка были известны еще во времена Shiva, на тот момент они не были хорошо развиты. Nova в конечном итоге получила один сгиб в своей компоновке, а лазерный отсек, содержащий каналы пучка, имел длину 300 футов (91 м). Для случайного наблюдателя кажется, что он содержит двадцать 300-футовых (91 м) линий луча, но из-за изгиба длина каждого из десяти на самом деле составляет почти 600 футов (180 м) с точки зрения длины оптического пути. ^[11]

Перед срабатыванием усилители Nd:glass сначала накачиваются серией ксеноновых ламп-вспышек, окружающих их. Часть света, производимого лампами, улавливается стеклом, что приводит к инверсии населенности , что позволяет усиливать излучение с помощью вынужденного излучения . Этот процесс довольно неэффективен, и только около 1–1,5% мощности, подаваемой в лампы, фактически превращается в энергию лазера. Чтобы обеспечить мощность лазера, необходимую для Nova, лампы должны быть очень большими, питаемыми от большого блока конденсаторов, расположенных под отсеком лазера. Вспышка также генерирует большое количество тепла, которое деформирует стекло, требуя времени для охлаждения ламп и стекла, прежде чем их можно будет снова включить. Это ограничивает Nova максимум шестью включениями в день.

После накачки и готовности к запуску небольшой импульс лазерного света подается в каналы пучка. Каждый из дисков из неодимового стекла выдает дополнительную мощность в луч, когда он проходит через них. После прохождения через ряд усилителей световой импульс «очищается» в пространственном фильтре перед подачей в другую серию усилителей. На каждом этапе использовалась дополнительная оптика для увеличения диаметра луча и обеспечения возможности использования все больших и больших дисков усилителей. Всего в Nova было пятнадцать усилителей и пять фильтров увеличивающегося размера в каналах пучка ^[11] с возможностью добавления дополнительного усилителя на последнем этапе, хотя неясно, использовались ли они на практике.

Оттуда все десять лучей проходят в экспериментальную зону на одном конце лазерного отсека. Здесь ряд зеркал отражает лучи, чтобы они попадали в центр отсека со всех сторон. Оптические устройства на некоторых путях замедляют лучи, так что все они достигают центра одновременно (примерно в течение пикосекунды), поскольку некоторые лучи имеют более длинные пути к центру, чем другие. Умножители частоты преобразуют свет в зеленый и синий (УФ) непосредственно перед входом в «целевую камеру». Nova устроена так, что любой оставшийся ИК или зеленый свет фокусируется недалеко от центра камеры. ^[11]

Лазер Nova в целом был способен излучать около 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 Nd:Glass на длине волны 1054 нм) при длительности импульса около 2-4 наносекунд и, таким образом, мог создавать УФ-импульс мощностью в диапазоне 16 триллионов ватт. ^[11]

Исследования Nova были сосредоточены на подходе непрямого привода , где лазерный свет фокусируется на внутренней поверхности тонкой металлической фольги, обычно сделанной из золота, свинца или другого металла с высоким Z. При нагревании лазером металл повторно излучает эту энергию в виде диффузных рентгеновских лучей , которые более эффективны, чем УФ, при сжатии топливной таблетки. Для того чтобы испускать рентгеновские лучи, металл должен быть нагрет до очень высоких температур, что потребляет значительное количество лазерной энергии. Таким образом, хотя сжатие более эффективно, общая энергия, доставляемая к цели, тем не менее, намного меньше. Причина преобразования рентгеновских лучей заключается не в улучшении подачи энергии, а в «сглаживании» энергетического профиля; поскольку металлическая фольга несколько рассеивает тепло, анизотропия в исходном лазере значительно уменьшается. ^[11]

Оболочки из фольги, или hohlraums , обычно формируются как небольшие открытые цилиндры, с лазером, установленным так, чтобы светить в открытые концы под косым углом, чтобы ударять по внутренней поверхности. Для поддержки исследований непрямого привода в Nova, вторая экспериментальная зона была построена «за» основной, напротив лазерного отсека. Система была настроена на фокусировку всех десяти лучей в два набора по пять в каждом, которые проходили во вторую зону, а затем в любой конец целевой камеры, а оттуда в hohlraums. ^[12]

Как ни странно, подход с косвенным приводом не был широко обнародован до 1993 года. Документы эпохи Nova, опубликованные в научных журналах общего профиля и аналогичных материалах, либо замалчивают этот вопрос, либо подразумевают, что Nova использовала подход с прямым приводом , без хохлраумов. ^[13]

Как и в случае с предыдущей Shiva, Nova не оправдала ожиданий в плане выхода термоядерного синтеза. Максимальный выход термоядерного синтеза на NOVA составил около 10 ¹³ нейтронов за выстрел. В этом случае проблема была связана с нестабильностями, которые вызывали турбулентное перемешивание топлива во время коллапса и нарушали формирование и передачу ударной волны. Проблема была вызвана неспособностью Nova точно согласовывать выходную энергию каждого из пучковых каналов, что означало, что разные области гранулы получали разное количество тепла по всей ее поверхности. Это приводило к появлению горячих точек на грануле, которые были отпечатаны в схлопывающейся плазме, вызывая неустойчивости Рэлея-Тейлора и тем самым перемешивая плазму, так что центр не схлопывался равномерно. ^[14]

Тем не менее, Nova оставалась полезным инструментом даже в своей первоначальной форме, а основная целевая камера и каналы пучка использовались в течение многих лет даже после того, как она была модифицирована, как описано ниже. За время ее существования было опробовано несколько различных методов сглаживания пучков, как для улучшения Nova, так и для лучшего понимания NIF. ^[15] Эти эксперименты внесли значительный вклад не только в понимание ICF, но и в физику высокой плотности в целом, и даже в эволюцию галактики и сверхновых .

Вскоре после завершения работ по созданию Nova в него были внесены изменения с целью усовершенствования его как экспериментального устройства.

Одной из проблем было то, что экспериментальная камера требовала много времени для переоборудования для следующего выстрела , больше, чем время, необходимое для охлаждения лазеров. Чтобы улучшить использование лазера, вторая экспериментальная камера была построена позади оригинальной, с оптикой, которая объединяла десять линий пучка в две. Nova была построена напротив старых зданий Shiva, с двумя экспериментальными камерами, стоящими спина к спине, и линиями пучка, простирающимися наружу от центральных целевых областей. Система Two Beam была установлена ​​путем пропускания лучепроводов и связанной с ними оптики через теперь неиспользуемую экспериментальную зону Shiva и размещения меньшей экспериментальной камеры в отсеке пучка Shiva. ^[16]

Частичный успех Nova, в сочетании с другими экспериментальными числами, побудил Министерство энергетики запросить специальную военную установку ICF, которую они назвали «Лабораторной установкой микрослияния» (LMF), которая могла бы достигать выхода синтеза от 100 до 1000 МДж. На основе компьютерных моделей LASNEX было подсчитано, что LMF потребует драйвера около 10 МДж, ^[10] несмотря на ядерные испытания, которые предполагали более высокую энергию. Создание такого устройства соответствовало современному уровню техники, но было бы дорогим, порядка 1 миллиарда долларов. ^[17] LLNL вернула проект с драйверным лазером 5 МДж 350 нм (УФ), который мог бы достигать выхода около 200 МДж, что было достаточно для достижения большинства целей LMF. По оценкам, стоимость программы составит около 600 миллионов долларов США в 1989 финансовом году, а также дополнительные 250 миллионов долларов США на модернизацию до полной мощности в 1000 МДж, если возникнет такая необходимость. Стоимость программы может превысить 1 миллиард долларов США, если LMF будет соответствовать всем поставленным DOE целям. ^[17] Другие лаборатории также предложили свои собственные конструкции LMF 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 сделан вывод, что «учитывая экстраполяции, необходимые в физике мишени и производительности драйвера, а также вероятную стоимость в 1 миллиард долларов, комитет считает, что LMF [т. е. установка лазерного микрослияния с выходом в один гигаджоуль] — слишком большой шаг, чтобы делать его напрямую из текущей программы». В их отчете предполагалось, что основной целью программы в краткосрочной перспективе должно быть решение различных проблем, связанных с зажиганием, и что полномасштабный LMF не следует пытаться осуществить, пока эти проблемы не будут решены. ^[18] В отчете также критиковались эксперименты с газовым лазером, проводимые в LANL, и предлагалось отказаться от них и аналогичных проектов в других лабораториях. В отчете принимались цифры LASNEX и продолжался подход с энергией лазера около 10 МДж. Тем не менее, авторы осознавали потенциальную необходимость в более высоких энергетических требованиях и отметили: «Действительно, если бы выяснилось, что для зажигания и усиления требуется драйвер мощностью 100 МДж, пришлось бы переосмыслить весь подход к ICF и его обоснование». ^[18]

В июле 1992 года LLNL отреагировала на эти предложения модернизацией Nova , которая повторно использовала бы большую часть существующего объекта Nova, вместе с соседним объектом Shiva. Полученная система была бы намного менее мощной, чем концепция LMF, с драйвером около 1-2 МДж. ^[19] Новый проект включал ряд функций, которые продвинули бы современное состояние в секции драйвера, включая многопроходную конструкцию в основных усилителях и 18 линий пучка (вместо 10), которые были разделены на 288 «лучевых элементов» при входе в целевую область, чтобы улучшить равномерность освещения. Планы предусматривали установку двух основных банков линий лазерного пучка, одного в существующем помещении линии пучка Nova, а другого в старом здании Shiva по соседству, простирающегося через его лазерный отсек и целевую область в модернизированную целевую область Nova. ^[20] Лазеры должны были выдавать около 500 ТВт за 4 нс импульс. Ожидалось, что модернизация позволит новому реактору Nova производить энергию термоядерного синтеза от 2 до 20 МДж ^[17]. Первоначальные оценки 1992 года предполагали стоимость строительства около 400 миллионов долларов, а строительство велось с 1995 по 1999 год.

По причинам, которые не были хорошо зафиксированы в исторических записях, позднее в 1992 году LLNL обновила свое предложение по модернизации Nova и заявила, что существующие здания Nova/Shiva больше не смогут вместить новую систему, и что потребуется новое здание примерно в три раза больше. ^[21] С тех пор планы трансформировались в нынешнюю Национальную установку зажигания .

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 один из существующих рычагов Nova, чтобы построить экспериментальный CPA-лазер, который производил до 1,25 ПВт. Известный просто как Petawatt , он работал до 1999 года, когда Nova была демонтирована, чтобы освободить место для NIF. ^{[22] [23]}

Базовая система усиления, используемая в Nova и других мощных лазерах той эпохи, была ограничена с точки зрения плотности мощности и длины импульса. Одна из проблем заключалась в том, что усилительное стекло реагировало в течение определенного периода времени, а не мгновенно, и очень короткие импульсы не могли быть сильно усилены. Другая проблема заключалась в том, что высокая плотность мощности приводила к тем же видам проблем с самофокусировкой, которые вызывали проблемы в более ранних конструкциях, но при такой величине, что даже такие меры, как пространственная фильтрация, были бы недостаточны, фактически плотность мощности была достаточно высокой, чтобы вызвать образование нитей в воздухе.

CPA избегает обеих этих проблем, растягивая лазерный импульс во времени. Он делает это, отражая относительно многоцветный (по сравнению с большинством лазеров) импульс от серии из 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 лучевой канал, в результате чего импульс «растягивается» во времени. Этот более длинный импульс подается в усилители как обычно, у которых теперь есть время для нормального реагирования. После усиления лучи отправляются во вторую пару решеток «в обратном порядке», чтобы объединить их в один короткий импульс с высокой мощностью. Чтобы избежать филаментации или повреждения оптических элементов, весь конец лучевого канала помещается в большую вакуумную камеру .

Хотя Petawatt сыграл важную роль в продвижении практической основы концепции быстрого воспламенения термоядерного синтеза, к тому времени, когда он был запущен в эксплуатацию в качестве устройства для проверки концепции, решение двигаться дальше с NIF уже было принято. Дальнейшая работа над подходом быстрого воспламенения продолжается и потенциально достигнет уровня развития, намного опережающего NIF в HiPER , экспериментальной системе, разрабатываемой в Европейском союзе.

Когда Nova демонтировали, чтобы освободить место для NIF, целевая камера была временно предоставлена ​​Франции для использования во время разработки Laser Megajoule , системы, во многом похожей на NIF. Этот заем был спорным, поскольку единственный другой работающий лазер в LLNL в то время, Beamlet (единственный экспериментальный лучевой канал для NIF), недавно был отправлен в Национальную лабораторию Сандия в Нью-Мексико. Это оставило LLNL без крупной лазерной установки, пока NIF не начал работу, что тогда оценивалось как самое раннее в 2003 году. Работа над NIF не была официально объявлена ​​завершенной до 31 марта 2009 года. ^[24]

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Нова (лазер)» .