HiPER - HiPER

A instalação de pesquisa de energia de laser de alta potência ( HiPER ), é um dispositivo experimental de fusão de confinamento inercial (ICF) acionado por laser experimental em fase de projeto preliminar para possível construção na União Europeia . Em 2019, o esforço parecia estar inativo.

HiPER foi projetado para estudar a abordagem de "ignição rápida" para gerar fusão nuclear , que usa lasers muito menores do que os projetos convencionais da ICF, mas produz saídas de energia de fusão de aproximadamente a mesma magnitude. Isso oferece um " ganho de fusão " total que é muito maior do que dispositivos como o National Ignition Facility (NIF) e uma redução nos custos de construção de cerca de dez vezes. Isso abriu uma janela para uma pequena máquina a ser construída rapidamente, que alcançaria a ignição antes do NIF. O design HiPER e o japonês FIREX pretendem explorar essa abordagem.

No entanto, pesquisas sobre a abordagem de ignição rápida em máquinas menores como o laser Omega nos Estados Unidos demonstraram vários problemas com o conceito. Outra abordagem alternativa, ignição por choque , começou a assumir o desenvolvimento futuro a partir de 2012. HiPER e FIREX parecem não ter visto nenhum desenvolvimento adicional desde então.

HiPER não deve ser confundido com um dispositivo ICF anterior no Japão conhecido como "HIPER", que não está operacional há algum tempo.

Fundo

Artigo principal: mecanismo ICF

Dispositivos de fusão de confinamento inercial (ICF) usam "drivers" para aquecer rapidamente as camadas externas de um "alvo" para comprimi-lo. O alvo é um pequeno pellet esférico contendo alguns miligramas de combustível de fusão, normalmente uma mistura de deutério e trítio , ou "DT". O calor do laser queima a superfície da pelota em um plasma , que explode na superfície. A porção restante do alvo é dirigida para dentro devido à Terceira Lei de Newton , colapsando em um pequeno ponto de densidade muito alta. A rápida purga também cria uma onda de choque que viaja em direção ao centro do combustível comprimido. Quando atinge o centro do combustível e recebe o choque do outro lado do alvo, a energia no centro aquece e comprime ainda mais o minúsculo volume ao seu redor. Se a temperatura e a densidade desse pequeno ponto puderem ser elevadas o suficiente, ocorrerão reações de fusão. Esta abordagem é agora conhecida como "ignição de ponto quente" para distingui-la de novas abordagens.

As reações de fusão liberam partículas de alta energia, algumas das quais (principalmente partículas alfa ) colidem com o combustível de alta densidade ao seu redor e diminuem a velocidade. Isso aquece o combustível circundante e pode causar a fusão desse combustível também. Dadas as condições gerais corretas do combustível comprimido - densidade e temperatura suficientemente altas - esse processo de aquecimento pode resultar em uma reação em cadeia , queimando do centro para fora. Esta é uma condição conhecida como "ignição", que pode fazer com que uma porção significativa do combustível no alvo sofra fusão e a liberação de quantidades significativas de energia.

Até o momento, a maioria dos experimentos da ICF usou lasers para aquecer os alvos. Os cálculos mostram que a energia deve ser fornecida rapidamente para comprimir o núcleo antes que ele se desmonte, além de criar uma onda de choque adequada. A energia também deve ser focada de maneira extremamente uniforme na superfície externa do alvo para colapsar o combustível em um núcleo simétrico. Embora outros "drivers" tenham sido sugeridos, notadamente íons pesados ​​acionados por aceleradores de partículas , os lasers são atualmente os únicos dispositivos com a combinação certa de recursos.

Descrição

No caso do HiPER, o sistema de driver de laser é semelhante aos sistemas existentes como o NIF, mas consideravelmente menor e menos potente.

O driver consiste em uma série de "linhas de luz" contendo amplificadores de laser Nd: glass em uma extremidade do edifício. Pouco antes do disparo, o vidro é "bombeado" para um estado de alta energia com uma série de tubos de flash de xenônio , causando uma inversão da população dos átomos de neodímio (Nd) no vidro. Isso os prepara para amplificação via emissão estimulada quando uma pequena quantidade de luz laser, gerada externamente em uma fibra óptica , é alimentada nas linhas de luz. O vidro não é particularmente eficaz em transferir energia para o feixe, portanto, para obter o máximo de potência possível, o feixe é refletido através do vidro quatro vezes em uma cavidade espelhada, cada vez ganhando mais potência. Quando esse processo é concluído, uma célula de Pockels "desliga" a luz da cavidade. Um problema para o projeto HiPER é que o Nd: glass não está mais sendo produzido comercialmente, portanto, várias opções precisam ser estudadas para garantir o fornecimento dos 1.300 discos estimados.

A partir daí, a luz do laser é alimentada em um filtro espacial muito longo para limpar o pulso resultante. O filtro é essencialmente um telescópio que focaliza o feixe em um ponto a alguma distância, onde um pequeno orifício localizado no ponto focal corta qualquer luz "perdida" causada pela falta de homogeneidade no feixe de laser. O feixe então se alarga até que uma segunda lente o retorne a um feixe reto novamente. É o uso de filtros espaciais que levam às longas linhas de luz vistas em dispositivos a laser ICF. No caso do HiPER, os filtros ocupam cerca de 50% do comprimento total. A largura do feixe na saída do sistema de driver é de cerca de 40 cm × 40 cm.

Um dos problemas encontrados em experimentos anteriores, notadamente o laser Shiva , foi que a luz infravermelha fornecida pelos lasers Nd: glass (em ~ 1054 nm em vaco ) se acopla fortemente com os elétrons ao redor do alvo, perdendo uma quantidade considerável de energia que caso contrário, aqueceria o próprio alvo. Normalmente, isso é resolvido por meio do uso de um multiplicador óptico de frequência , que pode dobrar ou triplicar a frequência da luz, passando para verde ou ultravioleta , respectivamente. Essas frequências mais altas interagem com menos intensidade com os elétrons, colocando mais energia no alvo. HiPER usará triplicar a frequência nos drivers.

Quando o processo de amplificação é concluído, a luz do laser entra na câmara experimental, situada em uma das extremidades do edifício. Aqui, ele é refletido em uma série de espelhos deformáveis ​​que ajudam a corrigir as imperfeições remanescentes na frente de onda e, em seguida, os alimenta na câmara-alvo de todos os ângulos. Uma vez que as distâncias gerais das extremidades das linhas de luz a diferentes pontos na câmara alvo são diferentes, atrasos são introduzidos nos caminhos individuais para garantir que todos atinjam o centro da câmara ao mesmo tempo, em cerca de 10 picossegundos (ps). O alvo, uma pelota de combustível de fusão com cerca de 1 mm de diâmetro no caso do HiPER, fica no centro da câmara.

O HiPER difere da maioria dos dispositivos ICF porque também inclui um segundo conjunto de lasers para aquecer diretamente o combustível comprimido. O pulso de aquecimento precisa ser muito curto, cerca de 10 a 20 ps de comprimento, mas é um tempo muito curto para que os amplificadores funcionem bem. Para resolver este problema, o HiPER usa uma técnica conhecida como amplificação de pulso chirped (CPA). O CPA começa com um pulso curto de uma fonte de laser de largura de banda larga (multifreqüência), ao contrário do driver que usa uma fonte monocromática (freqüência única). A luz desse pulso inicial é dividida em cores diferentes usando um par de grades de difração e atrasos ópticos. Isso "estende" o pulso em uma cadeia de vários nanossegundos. O pulso é então enviado para os amplificadores normalmente. Quando sai das linhas de luz, é recombinado em um conjunto semelhante de grades para produzir um único pulso muito curto, mas como o pulso agora tem uma potência muito alta, as grades têm que ser grandes (aproximadamente 1 m) e permanecer no vácuo. Além disso, os feixes individuais devem ter potência geral mais baixa; o lado da compressão do sistema usa 40 linhas de luz de cerca de 5 kJ cada para gerar um total de 200 kJ, enquanto o lado da ignição requer 24 linhas de luz de pouco menos de 3 kJ para gerar um total de 70 kJ. O número preciso e a potência das linhas de luz são atualmente objeto de pesquisa. A multiplicação de frequência também será usada nos aquecedores, mas ainda não foi decidido se usará a duplicação ou a triplicação; o último coloca mais potência no alvo, mas é menos eficiente na conversão da luz. A partir de 2007, o design da linha de base é baseado na duplicação para o verde.

Ignição Rápida e HiPER

Em dispositivos ICF tradicionais, o driver laser é usado para comprimir o alvo em densidades muito altas. A onda de choque criada por este processo aquece ainda mais o combustível comprimido quando ele colide no centro da esfera. Se a compressão for simétrica o suficiente, o aumento da temperatura pode criar condições próximas ao critério de Lawson e levar à ignição.

A quantidade de energia do laser necessária para comprimir com eficácia os alvos para as condições de ignição cresceu rapidamente em relação às estimativas iniciais. Nos "primeiros dias" da pesquisa da ICF na década de 1970, acreditava-se que apenas 1  quilojoules (kJ) seria suficiente, e vários lasers experimentais foram construídos para atingir esses níveis de potência. Quando o fizeram, uma série de problemas, normalmente relacionados à homogeneidade do colapso, acabou por perturbar seriamente a simetria de implosão e levar a temperaturas centrais muito mais frias do que o inicialmente esperado. Durante a década de 1980, a energia estimada necessária para alcançar a ignição cresceu para a faixa de megajoule, o que pareceu tornar a ICF impraticável para a produção de energia de fusão. Por exemplo, a National Ignition Facility (NIF) usa cerca de 420 MJ de energia elétrica para bombear os lasers do driver e, na melhor das hipóteses, espera-se que produza cerca de 20 MJ de potência de fusão. Sem ganhos dramáticos na produção, tal dispositivo nunca seria uma fonte de energia prática.

A abordagem de ignição rápida tenta evitar esses problemas. Em vez de usar a onda de choque para criar as condições necessárias para a fusão acima da faixa de ignição, essa abordagem aquece diretamente o combustível. Isso é muito mais eficiente do que a onda de choque, que se torna menos importante. No HiPER, a compactação fornecida pelo driver é "boa", mas não quase aquela criada por dispositivos maiores como NIF; O driver de HiPER tem cerca de 200 kJ e produz densidades de cerca de 300 g / cm 3 . Isso é cerca de um terço do NIF, e quase o mesmo gerado pelo laser NOVA anterior da década de 1980. Para comparação, o chumbo tem cerca de 11 g / cm 3 , então isso ainda representa uma quantidade considerável de compressão, principalmente quando se considera o interior do alvo contendo combustível TD leve em torno de 0,1 g / cm 3 .

A ignição é iniciada por um pulso de laser de ultra-alta potência (~ 70 kJ, 4 PW) muito curto (~ 10 picossegundos), direcionado através de um orifício no plasma no núcleo. A luz desse pulso interage com o combustível frio ao redor, gerando uma chuva de elétrons relativísticos de alta energia (3,5 MeV) que são direcionados para o combustível. Os elétrons aquecem um ponto em um lado do núcleo denso e, se esse aquecimento for localizado o suficiente, espera-se que a área vá muito além das energias de ignição.

A eficiência geral desta abordagem é muitas vezes maior do que a abordagem convencional. No caso do NIF, o laser gera cerca de 4 MJ de energia infravermelha para criar uma ignição que libera cerca de 20 MJ de energia. Isso corresponde a um "ganho de fusão" - a relação entre a potência do laser de entrada e a potência de fusão de saída - de cerca de 5. Se usarmos as suposições da linha de base para o projeto HiPER atual, os dois lasers (driver e aquecedor) produzem cerca de 270 kJ no total , ainda gera 25 a 30 MJ, um ganho de cerca de 100. Considerando uma variedade de perdas, o ganho real é previsto em cerca de 72. Isso não apenas supera o NIF por uma larga margem, como os lasers menores são muito menos caros de construir . Em termos de custo-benefício, o HiPER deve ser cerca de uma ordem de magnitude mais barato do que dispositivos convencionais como o NIF.

A compressão já é um problema bastante conhecido, e HiPER está principalmente interessado em explorar a física precisa do processo de aquecimento rápido. Não está claro com que rapidez os elétrons param na carga de combustível; embora isso seja conhecido pela matéria sob pressões normais, não é para as condições ultradensas do combustível comprimido. Para trabalhar com eficiência, os elétrons devem parar na distância mais curta possível, para liberar sua energia em um pequeno ponto e, assim, aumentar a temperatura (energia por unidade de volume) o mais alto possível.

Como colocar a luz laser naquele ponto também é assunto para pesquisas futuras. Uma abordagem usa um pulso curto de outro laser para aquecer o plasma fora do "núcleo" denso, essencialmente queimando um buraco através dele e expondo o combustível denso dentro. Esta abordagem será testada no sistema OMEGA-EP nos EUA. Outra abordagem, testada com sucesso no laser GEKKO XII no Japão, usa um pequeno cone de ouro que corta uma pequena área da concha do alvo; ao aquecer, nenhum plasma é criado nesta área, deixando um orifício que pode ser direcionado ao direcionar o laser para a superfície interna do cone. HiPER está atualmente planejando usar a abordagem do cone de ouro, mas provavelmente também estudará a solução de queima.

Pesquisa relacionada

Em 2005, HiPER concluiu um estudo preliminar delineando possíveis abordagens e argumentos para sua construção. O relatório recebeu críticas positivas da CE em julho de 2007 e passou para uma fase de projeto preparatória no início de 2008, com projetos detalhados para construção começando em 2011 ou 2012.

Paralelamente, o projeto HiPER também propõe a construção de sistemas laser menores com taxas de repetição mais altas. As lâmpadas de flash de alta potência usadas para bombear o vidro do amplificador de laser fazem com que ele se deforme, e ele não pode ser disparado novamente até que esfrie, o que leva até um dia. Além disso, apenas uma pequena quantidade do flash de luz branca gerado pelos tubos tem a frequência certa para ser absorvida pelo Nd: vidro e, portanto, levar à amplificação, em geral apenas cerca de 1 a 1,5% da energia alimentada nos tubos acaba no feixe de laser.

A chave para evitar esses problemas é substituir as lâmpadas de flash por bombas mais eficientes, normalmente baseadas em diodos de laser . Eles são muito mais eficientes na geração de luz a partir da eletricidade e, portanto, funcionam muito mais frios. Mais importante, a luz que eles geram é bastante monocromática e pode ser ajustada para frequências que podem ser facilmente absorvidas. Isso significa que muito menos energia precisa ser usada para produzir qualquer quantidade específica de luz laser, reduzindo ainda mais a quantidade total de calor sendo gerado. A melhoria na eficiência pode ser dramática; os dispositivos experimentais existentes operam com uma eficiência geral de cerca de 10%, e acredita-se que os dispositivos de "curto prazo" irão melhorar isso em até 20%.

Status atual

Outras pesquisas na abordagem de ignição rápida lançam sérias dúvidas sobre seu futuro. Em 2013, a Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos concluiu que não era mais uma direção de pesquisa válida, afirmando "Neste momento, a ignição rápida parece ser uma abordagem menos promissora para IFE do que outros conceitos de ignição."

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos