HiPER - HiPER

The High Power Laser Energy Research anlegget ( Hiper ), er en foreslått eksperimentelt laserdrevet treghetssperring fusjon (ICF) anordningen gjennomgår foreløpige konstruksjon for mulig utbygging i den europeiske unionen . Fra og med 2019 ser det ut til at innsatsen er inaktiv.

HiPER ble designet for å studere "hurtig tenning" -tilnærmingen for å generere atomfusjon , som bruker mye mindre lasere enn konvensjonelle ICF -design, men produserer fusjonseffekt av omtrent samme størrelse. Dette gir en total " fusjonsgevinst " som er mye høyere enn enheter som National Ignition Facility (NIF), og en reduksjon i byggekostnadene på omtrent ti ganger. Dette åpnet et vindu for en liten maskin som raskt kunne bygges som ville nå tenning før NIF. HiPER og de japanske FIREX -designene hadde til hensikt å utforske denne tilnærmingen.

Forskning på hurtig tenningstilnærming på mindre maskiner som Omega -laseren i USA viste imidlertid en rekke problemer med konseptet. En annen alternativ tilnærming, sjokkantennelse , begynte å ta over fremtidig utvikling fra og med 2012. HiPER og FIREX ser ikke ut til å ha sett noen ytterligere utvikling siden den gang.

HiPER skal ikke forveksles med en tidligere ICF -enhet i Japan kjent som "HIPER", som ikke har vært i drift på en stund.

Bakgrunn

Inertial confinement fusion (ICF) enheter bruker "drivere" for raskt å varme de ytre lagene av et "mål" for å komprimere det. Målet er en liten sfærisk pellet som inneholder noen få milligram fusjonsbrensel, vanligvis en blanding av deuterium og tritium , eller "DT". Varmen fra laseren brenner overflaten av pelleten til et plasma , som eksploderer av overflaten. Den gjenværende delen av målet blir drevet innover på grunn av Newtons tredje lov , som kollapser til et lite punkt med veldig høy tetthet. Den raske utblåsningen skaper også en sjokkbølge som beveger seg mot midten av det komprimerte drivstoffet. Når den når midten av drivstoffet og møter sjokket fra den andre siden av målet, varmer energien i sentrum ytterligere opp og komprimerer det lille volumet rundt det. Hvis temperaturen og tettheten til den lille flekken kan økes høyt nok, vil fusjonsreaksjoner forekomme. Denne tilnærmingen er nå kjent som "hot-spot tenning" for å skille den fra nye tilnærminger.

Fusjonsreaksjonene frigjør høyenergipartikler, hvorav noen (først og fremst alfapartikler ) kolliderer med drivstoffet med høy tetthet rundt det og bremser. Dette varmer drivstoffet rundt, og kan potensielt føre til at det drivstoffet også gjennomgår fusjon. Gitt de riktige generelle forholdene for det komprimerte drivstoffet - høy nok tetthet og temperatur - kan denne oppvarmingsprosessen resultere i en kjedereaksjon som brenner utover fra sentrum. Dette er en tilstand som kalles "tenning", som kan føre til at en betydelig del av drivstoffet i målet gjennomgår fusjon, og frigjøring av betydelige mengder energi.

Til dags dato har de fleste ICF -eksperimenter brukt lasere til å varme opp målene. Beregninger viser at energien må leveres raskt for å komprimere kjernen før den demonteres, samt skape en passende sjokkbølge. Energien må også fokuseres ekstremt jevnt over målets ytre overflate for å kollapse drivstoffet til en symmetrisk kjerne. Selv om andre "drivere" har blitt foreslått, særlig tunge ioner drevet i partikkelakseleratorer , er lasere for tiden de eneste enhetene med den riktige kombinasjonen av funksjoner.

Beskrivelse

Når det gjelder HiPER, ligner driverlasersystemet på eksisterende systemer som NIF, men betydelig mindre og mindre kraftig.

Driveren består av en rekke "beamlines" som inneholder Nd: glasslaserforsterkere i den ene enden av bygningen. Like før avfyring "pumpes" glasset til en høyenergitilstand med en rekke xenon-blitsrør , noe som forårsaker en populasjonsinversjon av neodym (Nd) atomer i glasset. Dette gjør dem klar for forsterkning via stimulert utslipp når en liten mengde laserlys, generert eksternt i en fiberoptikk , mates inn i strålelinjene. Glasset er ikke spesielt effektivt til å overføre kraft til strålen, så for å få så mye strøm som mulig tilbake, reflekteres strålen gjennom glasset fire ganger i et speilet hulrom, hver gang det får mer strøm. Når denne prosessen er fullført, "bytter" en Pockels -celle lyset ut av hulrommet. Et problem for HiPER -prosjektet er at Nd: glass ikke lenger produseres kommersielt, så en rekke alternativer må studeres for å sikre forsyning av de estimerte 1300 platene.

Derfra mates laserlyset inn i et veldig langt romfilter for å rydde opp den resulterende pulsen. Filteret er i hovedsak et teleskop som fokuserer strålen til et sted et stykke unna, hvor et lite pinhull som befinner seg ved fokuspunktet, kutter av alt "vill" lys forårsaket av inhomogeniteter i laserstrålen. Strålen utvides deretter til en annen linse returnerer den til en rett stråle igjen. Det er bruken av romfiltre som fører til de lange strålelinjene som ses i ICF -laserenheter. Når det gjelder HiPER, tar filtrene omtrent 50% av den totale lengden. Bjelkebredden ved utgang av førersystemet er omtrent 40 cm × 40 cm.

Et av problemene som oppsto i tidligere eksperimenter, spesielt Shiva -laseren , var at det infrarøde lyset fra Nd: glasslasere (ved ~ 1054 nm i vakuum ) kobler sterkt til elektronene rundt målet, og mister en betydelig mengde energi som ville ellers varme selve målet. Dette blir vanligvis adressert ved bruk av en optisk frekvensmultiplikator , som kan doble eller tredoble lysfrekvensen til henholdsvis det grønne eller ultrafiolette . Disse høyere frekvensene samhandler mindre sterkt med elektronene, og legger mer kraft i målet. HiPER vil bruke frekvens tredobling på driverne.

Når forsterkningsprosessen er fullført, kommer laserlyset inn i det eksperimentelle kammeret, som ligger i den ene enden av bygningen. Her reflekteres det av en rekke deformerbare speil som hjelper til med å korrigere gjenværende feil i bølgefronten, og deretter mater dem inn i målkammeret fra alle vinkler. Siden de totale avstandene fra endene av bjelkelinjene til forskjellige punkter på målkammeret er forskjellige, innføres forsinkelser på de enkelte banene for å sikre at de alle når midten av kammeret samtidig, innen omtrent 10 pikosekunder (ps). Målet, en fusjonsdrivstoffpellet med en diameter på omtrent 1 mm i tilfelle av HiPER, ligger i midten av kammeret.

HiPER skiller seg fra de fleste ICF -enheter ved at den også inneholder et andre sett med lasere for direkte oppvarming av det komprimerte drivstoffet. Varmepulsen må være veldig kort, omtrent 10 til 20 ps lang, men dette er for kort tid til at forsterkerne fungerer godt. For å løse dette problemet bruker HiPER en teknikk kjent som chirped pulse amplification (CPA). CPA starter med en kort puls fra en laserkilde med bred båndbredde (flerfrekvens), i motsetning til driveren som bruker en monokromatisk (enkeltfrekvent) kilde. Lys fra denne innledende pulsen deles i forskjellige farger ved hjelp av et par diffraksjonsgitter og optiske forsinkelser. Dette "strekker" pulsen inn i en kjede som er flere nanosekunder lang. Pulsen sendes deretter inn i forsterkerne som normalt. Når den forlater strålelinjene, rekombineres den i et lignende sett med rister for å gi en veldig kort puls, men fordi pulsen nå har veldig høy effekt, må ristene være store (ca. 1 m) og sitte i et vakuum. I tillegg må de enkelte bjelkene generelt ha lavere effekt; kompresjonssiden av systemet bruker 40 strålelinjer på omtrent 5 kJ hver for å generere totalt 200 kJ, mens tenningssiden krever 24 strålelinjer på i underkant av 3 kJ for å generere totalt 70 kJ. Det nøyaktige antallet og kraften til bjelkelinjene er for tiden gjenstand for forskning. Frekvensmultiplikasjon vil også bli brukt på varmeovnene, men det er ennå ikke bestemt om det skal brukes dobling eller tredobling; sistnevnte legger mer kraft i målet, men er mindre effektiv ved å konvertere lyset. Fra 2007 er grunnlinjedesignet basert på dobling til greenen.

Rask tenning og HiPER

I tradisjonelle ICF -enheter brukes driverlaseren til å komprimere målet til svært høye tettheter. Sjokkbølgen som oppstår ved denne prosessen varmer det komprimerte drivstoffet ytterligere opp når det kolliderer i midten av sfæren. Hvis komprimeringen er symmetrisk nok, kan temperaturøkningen skape forhold nær Lawson -kriteriet og føre til antennelse.

Mengden laserenergi som trengs for effektivt å komprimere målene til tenningsforhold har vokst raskt fra tidlige estimater. I de "tidlige dager" av ICF -forskning på 1970 -tallet ble det antatt at så lite som 1  kilojoule (kJ) ville være tilstrekkelig, og en rekke eksperimentelle lasere ble bygget for å nå disse effektnivåene. Da de gjorde det, viste det seg at en rekke problemer, vanligvis relatert til sammenbruddets homogenitet, forstyrret implosjonssymmetrien alvorlig og førte til mye kjøligere kjernetemperaturer enn opprinnelig forventet. Gjennom 1980 -tallet vokste den estimerte energien som kreves for å nå tenning til megajoule -området, noe som syntes å gjøre ICF upraktisk for produksjon av fusjonsenergi. For eksempel bruker National Ignition Facility (NIF) omtrent 420 MJ elektrisk kraft til å pumpe driverlaserne, og det forventes i beste fall å produsere omtrent 20 MJ fusjonseffekt. Uten dramatiske gevinster i produksjon ville en slik enhet aldri vært en praktisk energikilde.

Den raske tenningen prøver å unngå disse problemene. I stedet for å bruke sjokkbølgen til å skape forholdene som trengs for fusjon over tenningsområdet, varmer denne tilnærmingen drivstoffet direkte. Dette er langt mer effektivt enn sjokkbølgen, som blir mindre viktig. I HiPER er komprimeringen fra driveren "god", men ikke på langt nær den som er laget av større enheter som NIF; Hiper driveren er omtrent 200 kJ og produserer tettheter på ca. 300 g / cm 3 . Det er omtrent en tredjedel av NIF, og omtrent det samme som generert av den tidligere NOVA-laseren på 1980-tallet. Til sammenligning er bly omtrent 11 g / cm 3 , slik at dette representerer likevel en betydelig mengde av komprimering, særlig når man tar i betraktning målets indre inneholdt lys DT brensel rundt 0,1 g / cm 3 .

Tenningen starter med en svært kort (~ 10 pikosekunder) ultrahøy effekt (~ 70 kJ, 4 PW) laserpuls, rettet gjennom et hull i plasmaet i kjernen. Lyset fra denne pulsen samhandler med det kjølige drivstoffet som omgir seg, og genererer en dusj av relativ energi (3,5 MeV) relativistiske elektroner som drives inn i drivstoffet. Elektronene varmer et sted på den ene siden av den tette kjernen, og hvis denne oppvarmingen er lokalisert nok forventes det å drive området langt utover tenningsenergier.

Den generelle effektiviteten til denne tilnærmingen er mange ganger den konvensjonelle tilnærmingen. Når det gjelder NIF, genererer laseren omtrent 4 MJ infrarød effekt for å lage tenning som frigjør omtrent 20 MJ energi. Dette tilsvarer en "fusjonsforsterkning" - forholdet mellom inngangslasereffekt og utgående fusjonseffekt - på omtrent 5. Hvis man bruker grunnlinjeforutsetningene for dagens HiPER -design, produserer de to laserne (driver og varmeapparat) totalt 270 kJ totalt , men genererer likevel 25 til 30 MJ, en gevinst på omtrent 100. Med tanke på en rekke tap, er den faktiske gevinsten spådd til å være rundt 72. Ikke bare går dette bedre enn NIF med stor margin, de mindre laserne er mye billigere å bygge . Når det gjelder strøm-til-kostnad, forventes HiPER å være omtrent en størrelsesorden billigere enn konvensjonelle enheter som NIF.

Komprimering er allerede et ganske godt forstått problem, og HiPER er først og fremst interessert i å utforske den presise fysikken til hurtigoppvarmingsprosessen. Det er ikke klart hvor raskt elektronene stopper i drivstoffbelastningen; Selv om dette er kjent for materie under normalt trykk, er det ikke for de ultratette forholdene for det komprimerte drivstoffet. For å jobbe effektivt bør elektronene stoppe på så kort avstand som mulig, for å frigjøre energien til et lite sted og dermed øke temperaturen (energi per volumenhet) så høyt som mulig.

Hvordan du får laserlyset til det stedet er også et spørsmål for videre forskning. En tilnærming bruker en kort puls fra en annen laser til å varme plasmaet utenfor den tette "kjernen", i hovedsak brenne et hull gjennom det og avsløre det tette drivstoffet inne. Denne tilnærmingen vil bli testet på OMEGA-EP- systemet i USA. En annen tilnærming, vellykket testet på GEKKO XII -laseren i Japan, bruker en liten gullkegle som skjærer gjennom et lite område av målskallet; ved oppvarming dannes det ikke plasma i dette området, og etterlater et hull som kan siktes inn ved å skinne laseren inn i den indre overflaten av kjeglen. HiPER planlegger for tiden å bruke gullkjegle -tilnærmingen, men vil trolig også studere den brennende løsningen.

Relatert forskning

I 2005 fullførte HiPER en forundersøkelse som beskriver mulige tilnærminger og argumenter for konstruksjonen. Rapporten mottok positive anmeldelser fra EF i juli 2007, og gikk videre til en forberedende designfase tidlig i 2008 med detaljerte konstruksjoner for bygging som begynte i 2011 eller 2012.

Parallelt foreslår HiPER -prosjektet også å bygge mindre lasersystemer med høyere repetisjonshastigheter. De kraftige blitslampene som brukes til å pumpe laserforsterkerglasset får det til å deformeres, og det kan ikke avfyres igjen før det er avkjølt, noe som tar så lang tid som en dag. I tillegg er det bare en veldig liten mengde hvitt lys som genereres av rørene som har den riktige frekvensen som skal absorberes av Nd: glass og dermed føre til forsterkning, generelt bare omtrent 1 til 1,5% av energien som mates inn i rørene havner i laserstrålen.

Nøkkelen til å unngå disse problemene er å erstatte blitslampene med mer effektive pumper, vanligvis basert på laserdioder . Disse er langt mer effektive til å generere lys fra elektrisitet, og går dermed mye kjøligere. Enda viktigere er at lyset de genererer er ganske monokromatisk og kan stilles inn på frekvenser som lett kan absorberes. Dette betyr at mye mindre strøm må brukes for å produsere en bestemt mengde laserlys, noe som reduserer den generelle mengden varme som genereres ytterligere. Forbedringen i effektiviteten kan være dramatisk; eksisterende eksperimentelle enheter opererer med omtrent 10% total effektivitet, og det antas at "nærtids" enheter vil forbedre dette så høyt som 20%.

Nåværende status

Videre forskning i hurtigtenningstilnærmingen satte alvorlig tvil i fremtiden. I 2013 konkluderte US National Academy of Sciences med at det ikke lenger var en verdifull forskningsretning, og uttalte "På dette tidspunkt ser det ut til at hurtig tenning er en mindre lovende tilnærming for IFE enn andre tenningskonsepter."

Se også

Referanser

Bibliografi

Eksterne linker