Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня Гаранин С

Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня Гаранин С. Г.

Испытания первой водородной бомбы 2

Лазерные термоядерные мишени Сжатая DT- топливо радиусом R с плотностью и температурой Т Мишени прямого облучения: Лазерные пучки Плазменная корона Неиспаренная оболочка Мишени непрямого облучения: Первой опубликованной работой по использованию лазера для зажигания термоядерного горючего явилась работа Н. Г. Басова и О. Н. Крохина 3

Критерий зажигания Ef ≥ EDT ; Тогда мы получаем критерий Лоусона: Этот критерий хорошо известен для систем магнитного удержания, например, токамаков. Для DT плазмы с температурой около 10 ke. V Для инерционного термоядерного синтеза справедливо r=R/cs и критерий Лоусона переходит в 4

Зажигание термоядерной мишени Оптическая толщина R топлива и энергия мишени в зависимости от температуры Условие ЕF > ЕDT трансформируется в DT-топливо нужно сжимать, и чем сильнее, тем лучше. Возможности сжатия ограничиваются симметрией мишени и сжимающего устройства. При = 100 г/см 3 ЕDT (min) 13 к. Дж 5

Зажигание термоядерной мишени Проведем простую оценку требуемой для зажигания энергии лазера. Исходя из уравнений полета оболочки (уравнений Циалковского) можно оценить максимальное значение гидродинамического КПД: Mo- начальная масса оболочки M - масса неиспаренной оболочки при η 1≈ 0, 3 - эффективность передачи энергии от неиспаренной оболочки DT- топливу 6

Энергетический баланс для термоядерной электростанции GE 0 T GE 0 Драйвер D G T 1 Преобразователь термоядерной энергии в электрическую GE 0 T(1 - ) GE 0 T 0, 25 T 0, 4 D G 10 7

Основные проблемы инерционного термоядерного синтеза Демонстрация зажигания и горения термоядерной мишени Демонстрация того, что произведение эффективности драйвера и коэффициента усиления синтеза может быть DG 10 Разработка конструкции драйвера с высокой частотой повторения ( 10 Hz) и конструирование оптимального экологически безопасного и экономически выгодного реактора 8

Поглощение лазерного излучения Лазерный свет распространяется в плазме только если плотность электронной плазмы меньше, чем критическая, которая зависит от длины волны или частоты лазера Коэффициент поглощения для сферической плазмы Критическая поверхность где Мишень Поглощение лазерного излучения возрастает с уменьшением квадрата длины волны 9

Поглощение лазерного излучения / c x, 100 мкм 10

Зависимости коэффициента поглощения (а) и доли энергии в быстрых ионах (б) от интенсивности лазерного излучения, полученные в экспериментах на установке «Искра-4» а б ■- эксперимент; ──── - расчет по программе СНДП 11

Исследования сжатия мишеней прямого облучения (одномерные расчеты) Зависимость нейтронного выхода N и максимальной степени сжатия от внешнего радиуса оболочки R 0 Одномерные газодинамические расчеты показывают, что полимерная криогенная мишень зажигается при воздействии лазерным импульсом на длине волны 0, 35 мкм при энергии EL 500 к. Дж с коэффициентом усиления G 10 Временная форма профилированного импульса R 0 1, 5 мм; RCH 33 мкм; RDT 23 мкм 12

Реализация условий сферически симметричного сжатия DT-топлива - главная проблема ИТС Факторы, ограничивающие предельное сжатие: неоднородность облучения мишени несферичность и разнотолщинность оболочки гидродинамические неустойчивости и турбулентное перемешивание Оценка требований к крупномасштабной неоднородности облучения мишени Rmin Rmax Rs Возможная форма области DT- газа на момент максимального сжатия при неоднородном облучении мишени При получим 13

Влияние крупномасштабной неоднородности на горение термоядерной мишени (двумерные расчеты) Согласно двумерным расчетам неоднородность облучения мишени на уровне (3 -5)% приводит к срыву горения термоядерного горючего Наличие мелкомасштабных неоднородностей приводит к развитию газодинамических неустойчивостей и турбулентного перемешивания вещества оболочки с термоядерным топливом. Моделирование турбулентного перемешивания невозможно без развития вычислительных мощностей и требует компьютеров с быстродействием >10 Тфлоп. 14

Распределение плотности (а) и температуры (б) на момент максимума ионной температуры при амплитуде возмущения лазерного облучения поверхности мишени 2% 9% а б 15

Двумерные расчеты номинального горения мишени с возмущенной толщиной DT льда Распределения плотности топлива (вверху) и ионной температуры в момент времени, соответствующий максимальному сжатию. Возмущения толщины DT льда задавались в форме полинома Лежандра 10 степени с начальной амплитудой (Ak)0. 16

Параметры лазерного излучения, необходимые для достижения зажигания Энергия лазерного излучения на мишени: 500 к. Дж Длительность лазерного импульса: 3 -5 нс Форма лазерного импульса: профилированная Длина волны лазерного излучения: 500 нм Однородность облучения мишени: I/I 3% Несферичность и разнотолщинность оболочек: 3% 17

Лазерные установки для изучения физики высоких плотностей энергии Энергия к. Дж НИФ LMJ 1000 Искра-6 100 Нова 10 Шива Искра-4 1 Омега-АП Гекко-XII Искра-5 Омега Луч Вулкан Дельфин Прогресс Астерикс Искра-3 0, 1 УФЛ 2 М Хрома Аргус Мишень Кальмар 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Создание установки УФЛ-2 М позволит России выйти на лидирующие позиции в области лазерных технологий, исследований физики высоких плотностей энергии. 18

Установка NIF Здание Камера взаимодействия Параметры установки: • 192 канальный лазер на неодимовом фосфатном стекле • Длина волны - 1, 06 мкм Рентгеновская мишень • Энергия на основной частоте лазера – 4, 6 МДж • Энергия в камере взаимодействия – 1, 8 МДж (3 гармоника) • Импульс профилированный с длительностью 5 -10 нс • Мощность – 500 ТВт 19

Общий вид установки УФЛ-2 М Габариты – 322, 5 67 м 2; Длина лазерного зала – 130 м; Камера взаимодействия – 10 м; Высота камерного зала – 34 м; Чистые помещения – 16 000 м 2 (40% от общей площади). Предложенная компоновочная схема размещения установки позволит выделить первый пусковой комплекс и начать эксперименты в 2017 г. 20

Новые технологии используемые при разработке концепции установки и ее параметры Энергия на мишени, МДж Год запуска NIF (США) 1. 8 2009 LMJ (Франция) 2. 0 2014 РФ 2. 8 2020 Облучение мишени на второй гармонике, сферический боксконвертор Система сглаживания на основе динамической плазменной фазовой пластинки Новый алгоритм системы наведения и юстировки Смешанная диодно-ламповая система накачки лазерных элементов Активные лазерные элементы из стекла с новым составом 192 канала с размером пучка – 400× 400 мм 2 Энергия на выходе – 4, 6 МДж Новые технологии позволяют значительно упростить конструкцию и удешевить стоимость создание установки 21

Финальный оптический модуль дифракционная диагностическая решетка элементы системы сглаживания входное окно удвоитель сумматор элементы системы сглаживания объектив дифракционная решетка калориметр 3 на мишень 3 Искра-6 защитное стекло на мишень 2 УФЛ-2 М защитное стекло 22

Схема лазерного канала установки Параметры активных элементов Параметр д хо Вы Значение Размер АЭ (с кладингом) 810 460 40 мм Рабочая апертура 400 мм Концентрация ионов Nd 3+ 3, 5± 0, 1 10²º Лучевая прочность 20 Дж/см 2 Количество в лазерном модуле 144 ВСЕГО Реверсор см-3 3456 Усилитель У 2 ТПФ Усилитель У 1 КПФ Неодимовые слэбы Качество финишной обработки Nd активных элементов: PV (при двойном проходе ДЭ) 0, 25λ; RMS волнового фронта 0, 1λ; градиент 0, 03 λ/см 23

Рентгеновская температура в боксе-конверторе в зависимости от его диаметра для различных размеров лазерных входных отверстий зеленая линия - 2 -й гармоника, голубая линия третья гармоника Эксперименты на установке «Искра-5» показали, что использование сферического боксаконвертора позволяет получить на поверхности центральной капсулы с DT газом высокий уровень симметрии рентгеновского поля. Уменьшение рентгеновской температуры для второй гармоники по сравнению с третьей меньше, чем 15%. В то же время многократное рассеяние второй гармоники улучшает симметрию лазерной интенсивности на внутренней поверхности бокса-конвертора. 24

Установка «Искра-5» Сферическая мишень непрямого облучения Параметры установки: Энергия излучения 30 к. Дж Длина волны 1, 315 мкм Длительность импульса 0, 3 -0, 4 нс Мощность 100 TВт Число каналов 12 Задача: • Исследование физики работы мишени непрямого облучения 25

Результаты экспериментов со сферическими мишенями непрямого облучения Обскурограмма мишени, полученная в типичном эксперименте, =103 Регистрация рентгеновского излучения центральной мишени с пространственным разрешением Скорость полета оболочки ~3· 107 см/c 1 – свечение лазерной короны кожуха-конвертора, 2 – свечение центральной капсулы Регистрация формы спектра рентгеновского излучения в боксе диаметром 2 мм Отношение экспериментального и расчетного нейтронного выхода от радиального схождения центральной капсулы на момент генерации нейтронов 26

Исследования влияния асимметрии поля рентгеновского излучения на динамику работы мишени Зависимость нейтронного выхода и степени неоднородности рентгеновского поля на поверхности капсулы r m s от величины сдвига мишени относительно центра бокса Двумерное распределение ионной температуры - - experiments - calculations 27

Динамическая плазменная фазовая пластина Эксперименты с плазменной фазовой пластиной: ПФП эффективно сглаживает лазерный пучок Характерное время сглаживания 0, 4 пс при требуемом менее 10 пс МПО Коэффициент поглощения не превышает 25% ЛИ Фазовая пластина Сгусток плазмы Спектр лазерного излучения уширяется в 102 -103 раз 28

Экспериментальные применения метода ДПФП 29

Система лазерного облучения Расположение первичных пятен Расположение объективов Выбранная конфигурация фокусирующих объективов позволяет достичь среднеквадратичной неоднородности рентгеновской освещенности центральной мишени erms <0. 2%. Для мишени прямого облучения неоднородность не превышает erms 3%. Перенос 12 объективов снижает неоднородность до erms 0. 6%. 30

Камера взаимодействия материал – алюминиевый сплав, диаметр – 10 м, толщина стенки – 10 см, вес – 130 т, оборудована: биологической защитой, многоярусным стапелем. Камерный зал имеет бетонную защитную стену толщиной 2 м. 31

Модуль силового усилителя Ламповая кассета Количество лазерных каналов - 8. Апертура лазерного канала - 400 мм. Длина лазерного канала – 130 м. Энергия лазерного импульса в канале – 23 к. Дж. Секция блока усилительного Защитное стекло АЭ Ламповая кассета Кассета с АЭ Импульсные ксеноновые лампы • диаметр лампы – 50 мм • длина лампы – 2050 мм • рабочая энергия, рассеиваемая в лампе – 38. 5 к. Дж • длительность импульса тока - 360 мкс • ресурс лампы - 104 импульсов • материал оболочки – кварц, легированный церием 32

Компоновка 8 -ми канальных модулей силового усилителя ТПФ-24 шт. КПФ-24 шт. Волоконный световод Блок фокусирующих линз Конечный кессон опора Срединный кессон 33

Установка NIF 34

Симметрия облучения капсул Нормированный нейтронный выход Зависимость отношения экспериментального и расчетного нейтронного выхода от радиального схождения центральной капсулы на момент генерации нейтронов Изображение капсулы в рентгеновском излучении «Искра-5» , =103 NIF 35

Развитие лазерных технологий Sn Ti Al На лазерных установках «ИСКРА-5» и «ЛУЧ» получены данные по ударной сжимаемости Pb при давлениях до 80 Мбар и адиабатическому расширению ударно сжатого Cu Создана технология изготовления рентгеновских зеркал с Ir покрытием с шероховатостью поверхности 0. 4 нм На прототипе лазера на парах Cs впервые в мире получена мощность 1 к. Вт и световой КПД накачки 48% Разработаны широкоапертурные деформируемые зеркала и новые бессенсорные подходы к управлению Получено фазовое сложение N независимых лазерных пучков 36

Заключение Лазерная стендовая база, созданная в РФЯЦ-ВНИИЭФ, уникальна. Она является достоянием научного сообщества России и открыта для проведения исследований в области физики высоких плотностей энергии специалистами различных научных институтов России. Создание мощных лазерных установок в РФЯЦ-ВНИИЭФ и проведение на них экспериментов по физике высоких плотностей энергии способствует развитию в России технологий в области лазерной техники, оптики, импульсной энергетики и измерительной техники. РФЯЦ-ВНИИЭФ разрабатывает мощную лазерную установку национального масштаба «УФЛ-2 М» , которая позволит провести эксперименты по сжатию термоядерной мишени вблизи порога ее зажигания. 37