Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня

1. Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня Гаранин С.Г.

2. Испытания первой водородной бомбы

3. Лазерные термоядерные мишени Сжатая DT- топливо радиусом R с плотностью  и температурой Т Лазерные пучки Мишени прямого облучения: 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

4. 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 keV Для инерционного термоядерного синтеза справедливоr=R/csи критерий Лоусона переходит в

5. Зажигание термоядерной мишени Условие ЕF> ЕDT трансформируется в Оптическая толщина R топлива и энергия мишени в зависимости от температуры DT-топливо нужно сжимать, и чем сильнее, тем лучше. Возможности сжатия ограничиваются симметрией мишени и сжимающего устройства. При  = 100 г/см3ЕDT (min)  13 кДж

6. 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 оболочкиM - масса неиспаренной оболочки при η1≈ 0,3 -эффективность передачи энергии от неиспаренной оболочки DT- топливу

7. GE0T GE0T(1-) GE0 Преобразователь термоядерной энергии в электрическую GE0T E0 Драйвер Энергетический баланс для термоядерной электростанции • 0,25 T0,4 D G10 DGT  1

8. 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 (10Hz) и конструирование оптимального экологически безопасного и экономически выгодного реактора

9. 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

10. Поглощение лазерного излучения /c x, 100 мкм

11. 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

12. Исследования сжатия мишеней прямого облучения (одномерные расчеты) Временная форма профилированного импульса Зависимость нейтронного выхода N и максимальной степени сжатия  от внешнего радиуса оболочки R0 Одномерные газодинамические расчеты показывают, что полимерная криогенная мишень зажигается при воздействии лазерным импульсом на длиневолны0,35мкм при энергии EL500 кДж с коэффициентом усиления G10 R01,5 мм; RCH33 мкм; RDT23 мкм

13. Rmax Rmin Rs 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 Возможная форма области DT- газа на момент максимального сжатия при неоднородном облучении мишени получим При

14. 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 итурбулентного перемешивания вещества оболочки с термоядерным топливом. Моделирование турбулентного перемешивания невозможно без развитиявычислительных мощностей и требует компьютеров с быстродействием >10 Тфлоп.

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

16. 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.

17. Параметры лазерного излучения,необходимые для достижения зажигания • Энергия лазерного излучения на мишени: ³500кДж • Длительность лазерного импульса: t»3-5 нс • Форма лазерного импульса: профилированная • Длина волны лазерного излучения: l500нм • Однородность облучения мишени: dI/I  3% • Несферичность и разнотолщинность оболочек:  3%

18. Энергия кДж УФЛ2М LMJ НИФ 1000 Искра-6 100 Омега-АП Нова Гекко-XII Шива Луч 10 Искра-5 Омега Искра-4 Вулкан Астерикс 1 Дельфин Прогресс Хрома Искра-3 Аргус 0,1 Мишень Кальмар 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Лазерные установки для изучения физики высоких плотностей энергии Создание установки УФЛ-2М позволит России выйти на лидирующие позиции в области лазерных технологий, исследований физики высоких плотностей энергии.

19. Установка NIF Камера взаимодействия Здание • Параметры установки: • 192 канальный лазер на неодимовом фосфатном стекле • Длина волны - 1,06 мкм • 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 Рентгеновская мишень

20. 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.

21. Новые технологии используемые при разработке концепции установки и ее параметры Энергия на мишени, МДж Год запуска Облучение мишени на второй гармонике, сферический бокс-конвертор NIF (США) 1.8 2009 Система сглаживания на основе динамической плазменной фазовой пластинки LMJ (Франция) 2.0 2014 Новый алгоритм системы наведения и юстировки РФ 2.8 2020 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

22. 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 на мишень 2 защитное стекло защитное стекло Искра-6 УФЛ-2М

23. Схема лазерного канала установки Параметры активных элементов Выход Реверсор 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

24. 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 бокса-конвертора 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.

25. Установка «Искра-5» Сферическая мишень непрямого облучения Параметры установки: Энергия излучения 30 кДж Длина волны1,315 мкм Длительность импульса 0,3-0,4 нс Мощность 100 TВт Число каналов 12 • Задача: • Исследование физики работы мишени непрямого облучения

26. Результаты экспериментов со сферическимимишенями 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 Отношение экспериментального и расчетного нейтронного выхода от радиального схождения центральной капсулы на момент генерации нейтронов Регистрация формы спектра рентгеновского излучения в боксе диаметром 2 мм

27. -  - experiments - calculations 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

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

29. Экспериментальные применения метода ДПФП

30. Система лазерного облучения Расположение объективов Расположение первичных пятен 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%.

31. 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.

32. 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 Импульсные ксеноновые лампы Ламповая кассета • 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 Кассета с АЭ

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

34. Установка NIF

35. Симметрия облучения капсул 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 Нормированный нейтронный выход

36. Развитие лазерных технологий • На лазерных установках «ИСКРА-5» и «ЛУЧ» получены данные по ударной сжимаемости Pbпри давлениях до 80 Мбар и адиабатическому расширению ударно сжатого Cu • Создана технология изготовления рентгеновских зеркал с Irпокрытием 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 Sn Ti Al

37. 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.