Лазер "Шива": Исследования инерционного термоядерного синтеза

Введение

Лазер Шива был мощным 20-лучевым инфракрасным лазером на основе неодимового стекла (кремнезема), построенным в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в 1977 году для изучения инерциального термоядерного синтеза (ICF) и взаимодействия лазерной плазмы на больших расстояниях. Вероятно, устройство было названо в честь многорукой формы индуистского бога Шивы из-за многолучевой структуры лазера. Шива сыграл ключевую роль в выявлении определенной проблемы при сжатии мишеней лазерами, что привело к разработке нового устройства для решения этих проблем – лазера Nova.

Предыстория

Основная идея любого устройства инерциального синтеза (ICF) заключается в быстром нагревании внешних слоев "мишени", обычно небольшой пластиковой сферы, содержащей несколько миллиграммов термоядерного топлива, как правило, смесь дейтерия и трития. Тепло превращает пластик в плазму, которая взрывообразно расширяется с поверхности. В соответствии с третьим законом Ньютона, оставшаяся часть мишени движется внутрь, в конечном итоге коллапсируя в небольшую точку очень высокой плотности. Быстрое расширение также создает ударную волну, которая распространяется к центру сжатого топлива. Когда она сходится в центре топлива, энергия ударной волны дополнительно нагревает и сжимает крошечный объем вокруг себя. Если температура и плотность этой небольшой области достигают достаточно высоких значений, происходят реакции термоядерного синтеза. Реакции синтеза высвобождают высокоэнергетические частицы, которые сталкиваются с окружающим топливом высокой плотности и замедляются. Это дополнительно нагревает топливо и может потенциально вызвать синтез и в нем. При соблюдении оптимальных условий для сжатого топлива – достаточно высокой плотности и температуры – этот процесс нагрева может привести к цепной реакции, распространяющейся от центра, где началась ударная волна. Это состояние известно как "зажигание", которое может привести к синтезу значительной части топлива в мишени и высвобождению значительного количества энергии. На сегодняшний день в большинстве экспериментов по инерциальному синтезу для нагрева мишеней используются лазеры. Расчеты показывают, что энергия должна быть доставлена быстро, чтобы сжать ядро до того, как оно разлетится, а также создать подходящую ударную волну. Лазерные лучи также должны быть равномерно сфокусированы по внешней поверхности мишени, чтобы обеспечить коллапс топлива в симметричное ядро. Хотя предлагались и другие "инициаторы", в настоящее время лазеры являются единственными устройствами, обладающими необходимой комбинацией характеристик.

Описание

Шива включала в себя многие усовершенствования, реализованные в более ранних лазерах Cyclops и Argus, в частности использование усилителей из стеклянных пластин, легированных неодимом (Nd:glass), установленных под углом Брюстера, и длинных вакуумных пространственных фильтров для "очистки" полученных лазерных пучков. Эти особенности сохранились во всех лазерах для инерционного термоядерного синтеза (ICF) и привели к созданию длинных "лучеводов". В случае Шивы, длина лучеводов составляла около 30 м. Перед запуском лазерное стекло Шивы "накачивалось" светом от серии ксеноновых импульсных ламп, питавшихся от мощного банка конденсаторов. Часть этого света поглощалась атомами неодима в стекле, переводя их в возбужденное состояние и создавая инверсию населенностей, что подготавливало активную среду к усилению лазерного пучка. Небольшое количество лазерного света, генерируемого внешним источником, затем подавалось в лучеводы, проходя через стекло и усиливаясь в процессе вынужденного излучения. Этот процесс не отличается высокой эффективностью: в общей сложности около 1% электроэнергии, потребляемой лампами, в конечном итоге используется для усиления пучка в большинстве Nd:стеклянных лазеров. После каждого модуля усилителя располагался пространственный фильтр, который служил для сглаживания пучка путем устранения неоднородностей и анизотропии мощности, накапливавшихся из-за нелинейных эффектов фокусировки при прохождении интенсивного света через воздух и стекло. Пространственный фильтр поддерживался под вакуумом для предотвращения образования плазмы в фокусе (в апертуре). После прохождения света через последний усилитель и пространственный фильтр он использовался в экспериментах в целевой камере, расположенной на одном конце установки. 20 лучеводов Шивы каждый выдавали около 500 Дж энергии, что в сумме обеспечивало импульс длительностью от 0,5 до 1 нс с энергией 10,2 кДж инфракрасного света с длиной волны 1062 нм, или меньшую пиковую мощность при большем времени импульса (3 кДж за 3 нс). Вся установка, включая испытательное оборудование и здания, стоила около 25 миллионов долларов США при завершении в 1977 году (25,0 долларов США в 1977 году эквивалентны примерно <расчетной сумме> миллионам долларов США на сегодняшний день).

Shiva incorporated many of the advancements achieved on the earlier Cyclops and Argus lasers, notably the use of amplifiers made of Nd:glass slabs set at the Brewster's angle and the use of long vacuum spatial filters to "clean" the resulting laser beams. These features have remained a part of every ICF laser since, which leads to long "beamlines". In the case of Shiva, the beamlines were about 30 m long. Prior to firing, the laser glass of the Shiva was "pumped" with light from a series of xenon flash lamps fed power from a large capacitor bank. Some of this light is absorbed by the neodymium atoms in the glass, raising them to an excited state and leading to a population inversion which readies the lasing medium for amplification of a laser beam. A small amount of laser light, generated externally, was then fed into the beamlines, passing through the glass and becoming amplified through the process of stimulated emission. This is not a particularly efficient process; in total, around ~1% of the electricity used to feed the lamps ends up amplifying the beam on most Nd:glass lasers. After each amplifier module there was a spatial filter, which was used to smooth the beam by removing any nonuniformity or power anisotropy which had accumulated due to nonlinear focusing effects of intense light passage through air and glass. The spatial filter is held under vacuum in order to eliminate the creation of plasma at the focus (pinhole). After the light had passed through the final amplifier and spatial filter it was then used for experiments in the target chamber, lying at one end of the apparatus. Shiva's 20 beamlines each delivered about 500 Joules of energy, which together delivered a ~.5 to 1 nanosecond pulse of 10.2 kJ of infrared light at 1062 nm wavelength, or smaller peak powers over longer times (3 kJ for 3 ns). The entire device, including test equipment and buildings, cost about $25 million when it was completed in 1977 ($25.0 in 1977 is equivalent to about <calculated amount> in recent years million today).

Шива и ICF

Shiva никогда не рассчитывали на достижение условий зажигания и изначально рассматривали как демонстратор концепции для более крупного устройства, которое должно было это сделать. Еще до завершения строительства Shiva, проект его преемника, тогда известного как Shiva/Nova, был значительно продвинут. В 1984 году Shiva/Nova был реализован в виде Nova. Shiva был оснащен обширной измерительной аппаратурой, а его камера для мишеней использовала высокоразрешающие, высокоскоростные оптические и рентгеновские приборы для характеризации плазмы, создаваемой во время имплозии. Когда в 1978 году на Shiva начались эксперименты с мишенями, степень сжатия постепенно увеличивалась до 50-100 раз превышающей первоначальную плотность жидкого водорода, что составляет примерно 3,5-7 г/мл. Для сравнения, плотность свинца составляет около 11 г/мл. Несмотря на впечатляющий результат, эта степень сжатия была слишком мала для достижения зажигания и значительно ниже, чем предсказывали расчеты. Изучение причин более низкого, чем ожидалось, сжатия привело к пониманию того, что лазер эффективно взаимодействовал с горячими электронами (~50 кэВ) в плазме, образовавшейся при нагреве внешних слоев мишени, посредством стимулированного комбинационного рассеяния. Джон Холзрихтер, директор программы ICF в то время, сказал:

"Лазерный луч генерирует плотную плазму в месте его воздействия на материал мишени. Лазерный свет отдает свою энергию электронам в плазме, которые поглощают свет. Скорость этого процесса зависит от длины волны и интенсивности. На Shiva мы нагревали электроны до невероятных энергий, но мишени работали неэффективно. Мы предприняли множество попыток заставить электроны передать больше энергии мишени, но безуспешно. Ранее было установлено, что поглощение энергии лазера на поверхности благоприятно масштабируется при уменьшении длины волны, но в то время считалось, что инфракрасного излучения, генерируемого Nd-стекольным лазером Shiva, будет достаточно для эффективной имплозии мишеней. Shiva опроверг это предположение, показав, что облучение капсул инфракрасным светом вряд ли приведет к зажиганию или выигрышу в энергии. Таким образом, главным достижением Shiva стал его провал – пример отрицательного результата. Исследования в области ICF переключились на использование "оптического умножителя частоты" для преобразования входящего инфракрасного света в ультрафиолетовый диапазон около 351 нм, метод, который был хорошо известен в то время, но не обладал достаточной эффективностью. Исследования на лазере GDL в Лаборатории лазерной энергетики в 1980 году впервые достигли эффективных методов утроения частоты, которые затем были применены (впервые в LLNL) на преемнике Shiva – лазере Novette. Все лазерные системы ICF, разработанные после Shiva, использовали эту технологию. 24 января 1980 года землетрясение магнитудой 5,8 (первый из двух последовательных толчков) сотрясло Ливермор и объект настолько сильно, что сорвало болты Shiva размером с кулак; ремонт был произведен, и лазер был вновь введен в эксплуатацию через месяц. На Shiva до его демонтажа в 1981 году продолжались многочисленные эксперименты, включая испытания "непрямого режима" сжатия с использованием хольраумов. Камера для мишеней Shiva была повторно использована на лазере Novette. Максимальный выход по продуктам термоядерного синтеза на Shiva составлял около 10<sup>10</sup>-10<sup>11</sup> нейтронов на выстрел.