Лазерная установка Nova: исследования инерционного термоядерного синтеза в Ливерморской лаборатории.

Введение

Лазер высокой мощности в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора

Nova — высокомощный лазер, построенный в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) в Калифорнии, США, в 1984 году. Он использовался для проведения передовых экспериментов по инерциальному удержанию (ICF) до своего демонтажа в 1999 году. Nova был первым экспериментом ICF, созданным с целью достижения "зажигания" — цепной реакции ядерного синтеза, высвобождающей большое количество энергии. Хотя Nova не смогла достичь этой цели, полученные данные четко показали, что основная проблема заключалась в неустойчивости Рэлея — Тейлора, что привело к проектированию Национальной установки для зажигания, преемника Nova. Кроме того, Nova позволила получить значительный объем данных по физике вещества высокой плотности, независимо от того, было достигнуто зажигание или нет, что полезно как в исследованиях термоядерной энергии, так и в разработке ядерного оружия.

Предыстория

Инерциальный синтез с помощью сжатия (ICF) использует драйверы для быстрого нагрева внешних слоев мишени с целью ее сжатия. Мишень представляет собой небольшую сферическую гранулу, содержащую несколько миллиграммов термоядерного топлива, как правило, смесь дейтерия и трития. Тепло от драйверного лазера превращает поверхность гранулы в плазму, которая взрывообразно отлетает с поверхности. Оставшаяся часть мишени движется внутрь в соответствии с третьим законом Ньютона, в конечном итоге коллапсируя в небольшую точку очень высокой плотности. Быстрое отбрасывание вещества также создает ударную волну, которая распространяется к центру сжатого топлива. Когда она достигает центра топлива и сталкивается с ударной волной с противоположной стороны мишени, энергия ударной волны дополнительно нагревает и сжимает крошечный объем вокруг нее. Если температура и плотность этой небольшой области удастся повысить достаточно сильно, в небольшой части топлива произойдут реакции синтеза. На сегодняшний день в большинстве экспериментов по ICF 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. Энергия также должна быть сфокусирована чрезвычайно равномерно по внешней поверхности мишени, чтобы топливо сколлапсировало в симметричное ядро. Хотя были предложены и другие "драйверы", в частности, пучки тяжелых ионов, ускоряемые в ускорителях частиц, в настоящее время лазеры являются единственными устройствами, обладающими необходимой комбинацией характеристик.

История

История LLNL в программе ICF начинается с физика Джона Накколлса, который в 1972 году предсказал, что зажигание можно достичь при лазерной энергии около 1 кДж, а для получения "высокого прироста" потребуется энергия около 1 МДж. Хотя это кажется маломощным по сравнению с современными установками, в то время это лишь немного превосходило передовые технологии и привело к ряду программ по созданию лазеров в этом диапазоне мощности. До создания Nova, LLNL спроектировала и построила серию всё более мощных лазеров, которые исследовали проблемы базовой конструкции ICF. LLNL в основном интересовался Nd:стеклянным лазером, который в то время был одним из немногих известных высокоэнергетических лазерных конструкций. LLNL рано решила сосредоточиться на стеклянных лазерах, в то время как другие учреждения изучали газовые лазеры на основе углекислого газа (например, лазер Antares в Лос-Аламосской национальной лаборатории) или KrF (например, лазер Nike в Научно-исследовательской лаборатории ВМС). Создание крупных Nd:стеклянных лазеров ранее не предпринималось, и ранние исследования LLNL были сосредоточены главным образом на том, как изготовить эти устройства. Одной из проблем была однородность пучков. Даже незначительные колебания интенсивности пучков приводили к "самофокусировке" в воздухе и стеклянной оптике в процессе, известном как линзирование Керра. В результате формировались небольшие "филаменты" с чрезвычайно высокой интенсивностью света, способной повредить стеклянную оптику устройства. Эта проблема была решена в лазере Cyclops благодаря внедрению метода пространственной фильтрации. За лазером Cyclops последовал более мощный лазер Argus, который исследовал проблемы управления несколькими пучками и более равномерного освещения мишени. Именно во время экспериментов с Shiva возникла другая серьезная, неожиданная проблема. Инфракрасный свет, генерируемый Nd:стеклянными лазерами, оказалось, сильно взаимодействует с электронами в плазме, создаваемой при начальном нагреве посредством процесса стимулированного рассеяния Рамана. Этот процесс, называемый "предварительным нагревом горячими электронами", уносил значительную часть энергии лазера, а также приводил к нагреву ядра мишени до достижения максимального сжатия. Это означало, что в центр коллапса откладывалось гораздо меньше энергии как из-за уменьшения энергии имплозии, так и из-за силы отталкивания нагретого ядра. Хотя было известно, что более короткие длины волн уменьшат эту проблему, ранее предполагалось, что ИК-частоты, используемые в Shiva, будут "достаточно короткими". Это оказалось не так. Решение этой проблемы было найдено в использовании эффективных частотных умножителей – оптических устройств, объединяющих несколько фотонов в один с более высокой энергией и, следовательно, частотой. Эти устройства были быстро внедрены и экспериментально протестированы на лазере OMEGA и других, доказав свою эффективность. Хотя процесс эффективен лишь примерно на 50%, и половина исходной мощности лазера теряется, полученный ультрафиолетовый свет гораздо эффективнее связывается с плазмой мишени и гораздо эффективнее сжимает мишень до высокой плотности. Обладая этими решениями, LLNL решила построить устройство с мощностью, необходимой для создания условий зажигания. Проектирование началось в конце 1970-х годов, а вскоре после этого началось строительство испытательного лазера Novette для проверки базовой схемы пучка и конструкции частотного умножителя. Это было время повторяющихся энергетических кризисов в США, и финансирование было несложно получить, учитывая значительные средства, доступные для альтернативной энергетики и исследований в области ядерного оружия.

LLNL's history with the ICF program starts with physicist John Nuckolls, who predicted in 1972 that ignition could be achieved with laser energies about 1 kJ, while "high gain" would require energies around 1 MJ. Although this sounds very low powered compared to modern machines, at the time it was just beyond the state of the art, and led to a number of programs to produce lasers in this power range. Prior to the construction of Nova, LLNL had designed and built a series of ever larger lasers that explored the problems of basic ICF design. LLNL was primarily interested in the Nd:glass laser, which, at the time, was one of a very few high energy laser designs known. LLNL had decided early on to concentrate on glass lasers, while other facilities studied gas lasers using carbon dioxide (e. g. Antares laser, Los Alamos National Laboratory) or KrF (e. g. Nike laser, Naval Research Laboratory). Building large Nd:glass lasers had not been attempted before, and LLNL's early research focused primarily on how to make these devices. One problem was the homogeneity of the beams. Even minor variations in intensity of the beams would result in "self focusing" in the air and glass optics in a process known as Kerr lensing. The resulting beam included small "filaments" of extremely high light intensity, so high it would damage the glass optics of the device. This problem was solved in the Cyclops laser with the introduction of the spatial filtering technique. Cyclops was followed by the Argus laser of greater power, which explored the problems of controlling more than one beam and illuminating a target more evenly. It was during experiments with Shiva that another serious unexpected problem appeared. The infrared light generated by the Nd:glass lasers was found to interact very strongly with the electrons in the plasma created during the initial heating through the process of stimulated Raman scattering. This process, referred to as "hot electron pre heating", carried away a great amount of the laser's energy, and also caused the core of the target to heat before it reached maximum compression. This meant that much less energy was being deposited in the center of the collapse, both due to the reduction in implosion energy, as well as the outward force of the heated core. Although it was known that shorter wavelengths would reduce this problem, it had earlier been expected that the IR frequencies used in Shiva would be "short enough". This proved not to be the case. A solution to this problem was explored in the form of efficient frequency multipliers, optical devices that combine several photons into one of higher energy, and thus frequency. These devices were quickly introduced and tested experimentally on the OMEGA laser and others, proving effective. Although the process is only about 50% efficient, and half the original laser power is lost, the resulting ultraviolet light couples much more efficiently to the target plasma and is much more effective in collapsing the target to high density. With these solutions in hand, LLNL decided to build a device with the power needed to produce ignition conditions. Design started in the late 1970s, with construction following shortly starting with the testbed Novette laser to validate the basic beamline and frequency multiplier design. This was a time of repeated energy crises in the U. S. and funding was not difficult to find given the large amounts of money available for alternative energy and nuclear weapons research.

Дизайн

На начальном этапе строительства Накколлс обнаружил ошибку в своих расчетах, и обзор в октябре 1979 года под председательством Джона Фостера-младшего из TRW подтвердил, что установка Nova не сможет достичь зажигания. Затем конструкция Nova была модифицирована, уменьшена в размерах и дополнена преобразованием частоты до 351 нм, что должно было повысить эффективность сопряжения. "Новая Nova" представляла собой систему с десятью лазерными усилителями, или лучевыми трактами. Каждый тракт состоял из серии Nd:стеклянных усилителей, разделенных пространственными фильтрами и другой оптикой для очистки полученных пучков. Хотя методы складывания лучевых трактов были известны еще со времен Shiva, на тот момент они не были достаточно развиты. В итоге у Nova было одно складывание в схеме расположения, а лазерный зал, содержащий лучевые тракты, имел длину 91 метр. Неспециалисту может показаться, что он содержит двадцать 91-метровых лучевых трактов, но из-за складывания каждый из десяти фактически имеет оптическую длину почти 183 метра. Перед запуском Nd:стеклянные усилители предварительно накачиваются серией ксеноновых ламп, окружающих их. Часть света, излучаемого лампами, поглощается стеклом, что приводит к инверсии населенности, позволяющей усилить излучение посредством вынужденного испускания. Этот процесс довольно неэффективен: лишь около 1–1,5% энергии, подаваемой в лампы, преобразуется в лазерную энергию. Для получения необходимой для Nova лазерной мощности лампы должны были быть очень большими и питаться от большого банка конденсаторов, расположенного под лазерным залом. Вспышка также генерирует значительное количество тепла, которое деформирует стекло, требуя времени для охлаждения ламп и стекла перед повторным запуском. Это ограничивает Nova примерно шестью выстрелами в день. После накачки и подготовки к запуску в лучевые тракты подается небольшой импульс лазерного света. Каждый Nd:стеклянный диск добавляет дополнительную мощность в пучок по мере его прохождения. После прохождения через несколько усилителей световой импульс "очищается" в пространственном фильтре, прежде чем попасть в следующую серию усилителей. На каждом этапе дополнительная оптика использовалась для увеличения диаметра пучка и использования все более крупных дисков усилителей. В общей сложности Nova содержала пятнадцать усилителей и пять фильтров возрастающего размера в лучевых трактах.

During the initial construction phase, Nuckolls found an error in his calculations, and an October 1979 review chaired by John Foster Jr. of TRW confirmed that there was no way Nova would reach ignition. The Nova design was then modified into a smaller design that added frequency conversion to 351 nm light, which would increase coupling efficiency. The "new Nova" emerged as a system with ten laser amplifiers, or beamlines. Each beamline consisted of a series of Nd:glass amplifiers separated by spatial filters and other optics for cleaning up the resulting beams. Although techniques for folding the beamlines were known as early as Shiva, they were not well developed at this point in time. Nova ended up with a single fold in its layout, and the laser bay containing the beamlines was 300 feet (91 m) long. To the casual observer it appears to contain twenty 300 feet (91 m) long beamlines, but due to the fold each of the ten is actually almost 600 feet (183 m) long in terms of optical path length. Prior to firing, the Nd:glass amplifiers are first pumped with a series of Xenon flash lamps surrounding them. Some of the light produced by the lamps is captured in the glass, leading to a population inversion that allows for amplification via stimulated emission. This process is quite inefficient, and only about 1 to 1.5% of the power fed into the lamps is actually turned into laser energy. In order to produce the sort of laser power required for Nova, the lamps had to be very large, fed power from a large bank of capacitors located under the laser bay. The flash also generates a large amount of heat which distorts the glass, requiring time for the lamps and glass to cool before they can be fired again. This limits Nova to about six firings a day at the maximum. Once pumped and ready for firing, a small pulse of laser light is fed into the beamlines. The Nd:glass disks each dump additional power into the beam as it passes through them. After passing through a number of amplifiers the light pulse is "cleaned up" in a spatial filter before being fed into another series of amplifiers. At each stage additional optics were used to increase the diameter of the beam and allow the use of larger and larger amplifier disks. In total, Nova contained fifteen amplifiers and five filters of increasing size in the beamlines,

Интригующе, подход непрямого привода не был широко опубликован до 1993 года. Документы эпохи Nova, опубликованные в популярных научных журналах и подобных материалах, либо замалчивают этот вопрос, либо подразумевают, что Nova использовала подход прямого привода, не используя хольраумы. Как и в случае с более ранней установкой Shiva, Nova не оправдала ожиданий с точки зрения выхода термоядерной энергии. Максимальный выход термоядерной реакции на Nova составлял около 10¹³ нейтронов на выстрел. В этом случае проблема была связана с неустойчивостями, вызывающими турбулентное смешивание топлива во время сжатия и нарушающими формирование и передачу ударной волны. Проблема была вызвана неспособностью Nova точно согласовать выходную энергию каждого из лучевых трактов, что приводило к неравномерному нагреву различных областей мишени по ее поверхности. Это приводило к образованию горячих точек на мишени, которые отпечатывались в имплодирующей плазме, вызывая неустойчивость Рэлея-Тейлора и, таким образом, смешивая плазму, из-за чего центр не сжимался равномерно. Тем не менее, Nova оставалась полезным инструментом даже в первоначальной конфигурации, и основная камера для мишеней и лучевые тракты использовались в течение многих лет даже после модификаций, описанных ниже. За время существования установки было предпринято несколько различных методов сглаживания пучков, как для улучшения Nova, так и для лучшего понимания NIF. Эти эксперименты внесли значительный вклад не только в понимание ИКФ, но и в физику высоких плотностей в целом, а также в эволюцию галактик и сверхновых.

Два луча

Вскоре после завершения строительства Nova в него были внесены модификации для улучшения его характеристик как экспериментальной установки. Одной из проблем было то, что перенастройка экспериментальной камеры для следующего выстрела занимала больше времени, чем необходимое для охлаждения лазеров. Чтобы повысить эффективность использования лазеров, за оригинальной камерой была построена вторая экспериментальная камера с оптикой, объединяющей десять пучков в два. Nova был построен вплотную к старым зданиям Shiva, при этом две экспериментальные камеры располагались спиной к спине, а пучки лучей расходились наружу от центральных точек наведения. Система "Два луча" была установлена путем прокладки лучеводов и соответствующей оптики через неиспользуемую экспериментальную зону Shiva и размещения меньшей экспериментальной камеры в лучевом отсеке Shiva.

LMF и Nova Upgrade

Частичный успех установки "Нова" в сочетании с другими экспериментальными данными побудил Министерство энергетики запросить создание специализированной военной установки для инерционного термоядерного синтеза (ИТС), которую они назвали "Лабораторная установка микросинтеза" (LMF), способной достигать выхода энергии синтеза от 100 до 1000 МДж. На основе компьютерного моделирования LASNEX было оценено, что для LMF потребуется драйвер мощностью около 10 МДж. LLNL представил проект с лазерным драйвером мощностью 5 МДж на длине волны 350 нм (УФ), который должен был достигать выхода энергии около 200 МДж, что было достаточно для достижения большинства целей LMF. Стоимость программы оценивалась примерно в 600 миллионов долларов США в ценах 1989 года, с дополнительными 250 миллионами долларов на модернизацию до 1000 МДж при необходимости, и могла превысить 1 миллиард долларов США, если LMF должна была выполнить все цели, поставленные Министерством энергетики. В отчете также критиковались эксперименты с газовыми лазерами, проводимые в LANL, и предлагалось прекратить их и аналогичные проекты в других лабораториях. В отчете были приняты оценки LASNEX и продолжено одобрение подхода с лазерной энергией около 10 МДж. Тем не менее, авторы осознавали потенциальную необходимость в большей энергии и отметили: "Действительно, если бы выяснилось, что для зажигания и усиления требуется драйвер мощностью 100 МДж, пришлось бы пересмотреть весь подход и обоснование ИТС". Новая конструкция включала ряд усовершенствований в части драйвера, в том числе многопроходную схему в основных усилителях и 18 лучевых линий (вместо 10), которые разделялись на 288 "лучевых пучков" при входе в зону облучения цели для повышения однородности освещения. Планировалось установить два основных блока лазерных лучей: один в существующей комнате лучевых линий "Нова", а другой – в старом здании "Шива" по соседству, проходя через его лазерный отсек и зону облучения цели в модернизированную зону облучения "Нова". Лазеры должны были выдавать около 500 ТВт в импульсе длительностью 4 нс. Ожидалось, что модернизация позволит новой установке "Нова" производить выход энергии синтеза от 2 до 20 МДж. После этого планы эволюционировали в текущую Национальную установку зажигания.

Nova's partial success, combined with other experimental numbers, prompted Department of Energy to request a custom military ICF facility they called the "Laboratory Microfusion Facility" (LMF) that could achieve fusion yield between 100 and 1000 MJ. Based on the LASNEX computer models, it was estimated that LMF would require a driver of about 10 MJ, LLNL returned a design with a 5 MJ 350 nm (UV) driver laser that would be able to reach about 200 MJ yield, which was enough to access the majority of the LMF goals. The program was estimated to cost about $600 million FY 1989 dollars, and an additional $250 million to upgrade it to a full 1000 MJ if needed, and would grow to well over $1 billion if LMF was to meet all of the goals the DOE asked for. The report was also critical of the gas laser experiments being carried out at LANL, and suggested they, and similar projects at other labs, be dropped. The report accepted the LASNEX numbers and continued to approve an approach with laser energy around 10 MJ. Nevertheless, the authors were aware of the potential for higher energy requirements, and noted "Indeed, if it did turn out that a 100 MJ driver were required for ignition and gain, one would have to rethink the entire approach to, and rationale for, ICF." The new design included a number of features that advanced the state of the art in the driver section, including the multi pass design in the main amplifiers, and 18 beamlines (up from 10) that were split into 288 "beamlets" as they entered the target area in order to improve the uniformity of illumination. The plans called for the installation of two main banks of laser beam lines, one in the existing Nova beam line room, and the other in the older Shiva building next door, extending through its laser bay and target area into an upgraded Nova target area. The lasers would deliver about 500 TW in a 4 ns pulse. The upgrades were expected to allow the new Nova to produce fusion yields between 2 and 20 MJ From then on the plans evolved into the current National Ignition Facility.

Петават

Начиная с конца 1980-х годов был разработан новый метод создания очень коротких, но очень мощных лазерных импульсов, известный как амплификация импульсов с растяжением по частоте, или CPA. Начиная с 1992 года, сотрудники LLNL модифицировали одну из существующих линий Nova для создания экспериментального CPA-лазера, который генерировал до 1,25 PW. Этот лазер, известный просто как Petawatt, работал до 1999 года, когда Nova был демонтирован, чтобы освободить место для NIF. Базовая система усиления, использовавшаяся в Nova и других высокомощных лазерах того времени, была ограничена с точки зрения плотности мощности и длительности импульса. Одна из проблем заключалась в том, что стекло усилителя реагировало не мгновенно, а в течение определенного времени, из-за чего короткие импульсы не могли быть эффективно усилены. Другая проблема заключалась в том, что высокая плотность мощности приводила к тем же эффектам самофокусировки, которые возникали в более ранних конструкциях, но в гораздо большем масштабе. Даже такие меры, как пространственная фильтрация, оказывались недостаточными, и плотность мощности была настолько высокой, что в воздухе начинали формироваться нити. CPA позволяет избежать обеих этих проблем, растягивая лазерный импульс во времени. Это достигается путем отражения относительно многоцветного (по сравнению с большинством лазеров) импульса от серии из двух дифракционных решеток, которые пространственно разделяют его на различные частоты, подобно тому, как это делает простая призма с видимым светом. Каждая из этих частот проходит разное расстояние при отражении обратно в оптическую схему, что приводит к "растяжению" импульса во времени. Этот удлиненный импульс подается в усилители, которые теперь успевают реагировать должным образом. После усиления пучки направляются во вторую пару решеток "в обратном порядке" для их рекомбинации в единый короткий импульс высокой мощности. Чтобы избежать филаментации или повреждения оптических элементов, вся конечная часть оптической схемы помещается в большую вакуумную камеру. Хотя Petawatt сыграл важную роль в развитии практической основы концепции быстрого инициирования термоядерной реакции, к моменту его запуска в качестве демонстрационного устройства решение о продолжении работ по NIF уже было принято. Дальнейшие исследования в области быстрого зажигания продолжаются и потенциально могут достичь уровня развития, значительно превосходящего NIF, на HiPER – экспериментальной установке, разрабатываемой в Европейском Союзе.

Starting in the late 1980s a new method of creating very short but very high power laser pulses was developed, known as chirped pulse amplification, or CPA. Starting in 1992, LLNL staff modified one of Nova's existing arms to build an experimental CPA laser that produced up to 1.25 PW. Known simply as Petawatt, it operated until 1999 when Nova was dismantled to make way for NIF. The basic amplification system used in Nova and other high power lasers of its era was limited in terms of power density and pulse length. One problem was that the amplifier glass responded over a period of time, not instantaneously, and very short pulses would not be strongly amplified. Another problem was that the high power densities led to the same sorts of self focusing problems that had caused problems in earlier designs, but at such a magnitude that even measures like spatial filtering would not be enough, in fact the power densities were high enough to cause filaments to form in air. CPA avoids both of these problems by spreading out the laser pulse in time. It does this by reflecting a relatively multi chromatic (as compared to most lasers) pulse off a series of two diffraction gratings, which splits them spatially into different frequencies, essentially the same thing a simple prism does with visible light. These individual frequencies have to travel different distances when reflected back into the beamline, resulting in the pulse being "stretched out" in time. This longer pulse is fed into the amplifiers as normal, which now have time to respond normally. After amplification the beams are sent into a second pair of gratings "in reverse" to recombine them into a single short pulse with high power. In order to avoid filamentation or damage to the optical elements, the entire end of the beamline is placed in a large vacuum chamber. Although Petawatt was instrumental in advancing the practical basis for the concept of fast ignition fusion, by the time it was operational as a proof of concept device, the decision to move ahead with NIF had already been taken. Further work on the fast ignition approach continues, and will potentially reach a level of development far in advance of NIF at HiPER, an experimental system under development in the European Union.

"Смерть" Новы

Когда Nova разбирали, чтобы освободить место для NIF, её целевая камера была передана Франции для временного использования в период разработки Laser Megajoule – системы, во многом схожей с NIF. Эта передача вызвала споры, так как в то время единственным другим действующим лазером в LLNL был Beamlet (одна экспериментальная лучевая линия для NIF), который недавно был отправлен в Национальную лабораторию Сандии в Нью-Мексико. В результате LLNL не располагал крупным лазерным комплексом до запуска NIF, который тогда планировался не ранее 2003 года. Официальное завершение работ над NIF было объявлено 31 марта 2009 года.