Концепция построения лазерной установки мегаджоульно...
Download
1 / 37

Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня - PowerPoint PPT Presentation


  • 187 Views
  • Uploaded on

Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня. Гаранин С.Г. Испытания первой водородной бомбы. Лазерные термоядерные мишени. Сжатая DT- топливо радиусом R с плотностью  и температурой Т. Лазерные пучки. Мишени прямого облучения:. Плазменная корона.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня' - bat


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня

Гаранин С.Г.



Лазерные термоядерные мишени бомбы

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


Критерий зажигания бомбы

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


Зажигание термоядерной мишени бомбы

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


Зажигание термоядерной мишени бомбы

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


GE бомбы0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


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


Поглощение лазерного излучения термоядерного синтеза

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


Поглощение лазерного излучения термоядерного синтеза

/c

x, 100 мкм


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


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


R прямого облучения (одномерные расчеты) max

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


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.


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

2%

9%

а

б


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.


Параметры лазерного излучения, горения мишени с возмущенной толщиной 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%


Энергия горения мишени с возмущенной толщиной

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.


Установка горения мишени с возмущенной толщиной 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


Общий вид установки УФЛ-2М горения мишени с возмущенной толщиной

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.


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


Финальный оптический модуль при разработке концепции установки и ее параметры

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


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


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.


Установка «Искра-5» боксе-конверторе в зависимости от его диаметра для различных размеров лазерных входных отверстий

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


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


- сферическими

- 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


МПО сферическими

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



Система лазерного облучения метода ДПФП

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%.


Камера взаимодействия метода ДПФП

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.


Модуль силового усилителя метода ДПФП

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


Компоновка 8-ми канальных модулей силового усилителя

ТПФ-24 шт.

КПФ-24 шт.

Волоконный световод

опора

Срединный кессон

Блок фокусирующих линз

Конечный кессон


Установка модулей силового усилителя NIF


Симметрия облучения капсул модулей силового усилителя

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


Развитие лазерных технологий модулей силового усилителя

  • 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


Заключение модулей силового усилителя

  • 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.


ad