Transcript 2012.09.26_Êîíöåïöèÿ ìåãàäæîóëü

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 ;
E DT 
3
2
n iT 
E f  Q f  v n D nT V  
n
Тогда мы получаем критерий
Лоусона:
3
2
n e T  3 nT ;
2
4
Q f  v V .
n 
1 2T
 v Qf
.
Этот критерий хорошо известен для
систем магнитного удержания, например,
токамаков. Для DT плазмы с температурой
около 10 keV
n  10
14
s cm
3
Для инерционного термоядерного синтеза
справедливо r=R/cs и критерий Лоусона
переходит в
12 T c s m i
R 
 v Qf
4
Зажигание термоядерной мишени
Условие ЕF > ЕDT
Оптическая толщина R топлива и энергия
мишени в зависимости от температуры
трансформируется в
R 
E DT 
m in
4
3
48 A C S T
NA v
 f T
  115  T  keV 
 R  0.3 g/cm ;
2

R

2
3
, MJ
T  10 keV
DT-топливо нужно сжимать, и чем сильнее, тем лучше. Возможности
сжатия ограничиваются симметрией мишени и сжимающего
устройства. При  = 100 г/см3 ЕDT (min)  13 кДж
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:
 t 
 ln 
dV
dt
Pa

M0
2
 
  M /M0
8 1      ln 
2
 max  8 %
при
Mo- начальная масса оболочки
M - масса неиспаренной оболочки
 opt  0 . 2
min
min
EL

E DT
 max   1
 500 kJ
η1≈ 0,3 - эффективность передачи энергии
от неиспаренной оболочки DT- топливу
6
Энергетический баланс для термоядерной
электростанции
GE0T
GE0
E0
Драйвер
DGT  1
Преобразователь
термоядерной энергии
в электрическую
GE0T(1-)
GE0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
m e 0
2
n e  n cr 
4 e
2

 mec
2
e 0
2
2
Коэффициент поглощения для
сферической плазмы
 abs  1  exp(  (p))
Критическая
поверхность

 (p )  2  0
где

R cr
Мишень
0 
2
3
(2 )
3/ 2
e
2
mec
0
2
2
 z  ln  ei
2
 z
3/ 2
2
f ( R ) dR
1  f (R) 
, f (R) 
Tcr
,
p
2
R
2
ne ( R )
n cr
Поглощение лазерного излучения возрастает с
уменьшением квадрата длины волны
9
Поглощение лазерного излучения
/c
I   10
2
15
W
cm
m 
2
2
VE
1
VT
PE  PT
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
0,6
0,25
0,5
0,20
0,4
ka
kf
0,15
0,3
0,10
0,2
0,05
2
IL, Вт/см
0,00
10
15
10
16
0,1
2
IL, Вт/см
0,0
10
15
10
■- эксперимент; ──── - расчет по программе СНДП
11
16
Исследования сжатия мишеней прямого облучения
(одномерные расчеты)
Временная форма
профилированного импульса
18
1,8x10
18
1,6x10
18
1,4x10
18
1,2x10
18
1,0x10
18
8,0x10
17
6,0x10
17
4,0x10
17
2,0x10
17
N
1,0
9,5x10
3
9,0x10
3
8,5x10
3
8,0x10
3
7,5x10
3

EL=500 kJ
13
14
15
16
17
R0, мм
Одномерные газодинамические расчеты
показывают, что полимерная криогенная
мишень зажигается при воздействии
лазерным импульсом на длине волны
0,35 мкм при энергии EL500 кДж с
коэффициентом усиления G10
F(t)
2,0x10

N
Зависимость нейтронного выхода N
и максимальной степени сжатия  от
внешнего радиуса оболочки R0
0,8
F(t)~(t/fr)
0,6
fr=0.8530
2.8
0,4
0,2
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
 RDT
 RC H
t/0
1,0
R0
R0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
 V   R0 
 V 
  
  
 

 V   Rs 
 V 
R / Rs  
Rmin
Rma
x
 R  R max  R min
 Pa
Rs
Pa
I
Возможная форма области DT- газа на
момент максимального сжатия при
неоднородном облучении мишени
При 
 10
4

  Pa
 
 Pa

 


1/ 3
 V  V max  V min
  0 , 7  0 ,8 
I
1/3
1

I
I
1 / 3
2
получим
I
 0 , 02  0 , 03
I
13
Влияние крупномасштабной неоднородности на
горение термоядерной мишени (двумерные расчеты)
1,0
l=2
l=10
E/E0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
al
I  I 0  1  a l Pl  cos 
 
I 0 1   l Yl 0  

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.
#
1
2
(A k) 0
0 .05
0 .07 5
E tot-2 D /E tot-1 D
~1
-4
10
16
Параметры лазерного излучения,
необходимые для достижения зажигания
 Энергия лазерного излучения на мишени:  500 кДж
 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
кДж
НИФ LMJ
1000
УФЛ2М
Искра-6
100
Нова
10
Шива
Искра-4
1
Гекко-XII
Искра-5
Омега
Луч
Вулкан
Дельфин Прогресс Астерикс
Искра-3
0,1
Омега-АП
Хрома
Аргус
Мишень
Кальмар
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Создание установки УФЛ-2М 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-2М
Габариты – 322,567 м2;
Длина лазерного зала – 130 м;
Камера взаимодействия – 10 м;
Высота камерного зала – 34 м;
Чистые помещения – 16 000 м2
(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 мм2
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
объектив
дифракционная
решетка
калориметр 3
на мишень 3
защитное
стекло
Искра-6
на мишень 2
защитное
стекло
УФЛ-2М
22
Схема лазерного канала установки
Параметры активных элементов
Параметр
Значение
Размер АЭ (с кладингом)
81046040 мм
Рабочая апертура
400400 мм
Концентрация ионов Nd3+
3,5±0,110²º
Лучевая прочность
20 Дж/см2
Количество в лазерном модуле
144
ВСЕГО
3456
Реверсор
см-3
Усилитель
У2
ТПФ
Усилитель У1
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
0.40
T, keV
0.35
0.30
- 0.8 mm
- 1.0 mm
- 1.2 mm
0.25
0.20
1
2
3
4
box, mm
5
6
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 кДж
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
1.0
отн. ед.
0.8
0.6
2
0.4
1
0.2
0.0
0.0
0.5
1.0
 
1.5
2.0
2.5
t, нс
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
100
10
9
Двумерное распределение ионной
температуры
80
10
8
(% )
- 
rm s
- experiments
ýê ñï åðè ì åí ò
-- calculations
7
rm s
10
40

N
60
- ðàñ÷åò
10
6
20
10
5
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
 /R
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
box
27
Динамическая плазменная фазовая пластина
Эксперименты с плазменной
фазовой пластиной:
ПФП эффективно сглаживает
лазерный пучок
Характерное время сглаживания
0,4пс 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400 мм.
Длина лазерного канала – 130 м.
Энергия лазерного импульса в канале – 23 кДж.
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 кДж
• 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
9
Sn
Ti
P, Mbar
6
Al
3
0
0
8
4
U, km/s
12
 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 кВт и световой КПД
накачки 48%
 Разработаны широкоапертурные
деформируемые зеркала и новые бессенсорные
подходы к управлению
 Получено фазовое сложение N независимых
лазерных пучков
Х, угл сек
20
10
0
-10
-20
0
20
40
60
80
100
t, сек
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-2М», которая позволит провести
эксперименты по сжатию термоядерной мишени вблизи порога ее
зажигания.
37