하이퍼

High Power Laser Energy Research 시설(HiPER)은 유럽연합(EU)에서 건설 가능한 예비 설계를 진행 중인 제안된 실험용 레이저 구동 관성 구속 융합(ICF) 장치입니다.2019년 현재^[update], 그 노력은 활발하지 않은 것으로 보인다.

HiPER는 기존의 ICF 설계보다 훨씬 작은 레이저를 사용하면서도 거의 같은 규모의 핵융합 출력을 내는 핵융합 생성에 대한 "고속 점화" 접근법을 연구하기 위해 고안되었습니다.이는 NIF(National Ignition Facility)와 같은 장치보다 훨씬 높은 총 "퓨전 이득"을 제공하며 건설 비용을 약 10배 절감할 수 있습니다.이것은 NIF보다 먼저 점화될 수 있는 작은 기계를 빠르게 만들 수 있는 창을 열었다.HiPER와 일본 FIREX의 설계는 이 접근방식을 탐구하기 위한 것입니다.

그러나 미국의 Omega 레이저와 같은 소형 기계에서 고속 점화 방식을 연구한 결과 이 개념에 많은 문제가 있음이 입증되었습니다.또 다른 대안 접근법인 쇼크 점화 ^[1]방식은 2012년경부터 미래 개발을 이어받기 시작했다.HiPER와 FIREX 모두 그 이후로는 추가 개발은 없었던 것으로 보인다.

HiPER는, 「HIPER」라고 불리는 일본의 이전의 ICF 디바이스와 혼동하지 말아 주세요.HIPER는 한동안 동작하지 않았습니다.

배경

관성구속융합(ICF) 장치는 "드라이버"를 사용하여 "표적"의 바깥쪽 층을 빠르게 가열하여 압축합니다.대상은 수 밀리그램의 핵융합 연료를 포함하는 작은 구형 펠릿이며, 일반적으로 중수소와 삼중수소의 혼합물 또는 "D-T"이다.레이저의 열은 펠릿의 표면을 태워 플라즈마로 만들고, 플라즈마는 표면에서 폭발합니다.목표물의 나머지 부분은 뉴턴의 제3법칙 때문에 안쪽으로 이동하며, 매우 높은 밀도의 작은 점으로 붕괴됩니다.또한 빠른 분출은 압축 연료의 중심을 향해 이동하는 충격파를 생성합니다.연료가 연료의 중심에 도달하고 목표물의 반대쪽에서 오는 충격을 만나면, 중앙의 에너지가 주변의 작은 부피를 더 가열하고 압축합니다.그 작은 점의 온도와 밀도가 충분히 높아지면 핵융합 반응이 일어날 것이다.이 접근방식은 이제 ^[2]새로운 접근방식과 구별하기 위해 "핫스팟 점화"로 알려져 있습니다.

핵융합 반응은 고에너지 입자를 방출하며, 그 중 일부는(주로 알파 입자) 주변의 고밀도 연료와 충돌하여 속도가 느려집니다.이로 인해 주변 연료가 가열되고 연료도 융합될 수 있습니다.압축 연료의 전반적인 조건이 적절할 경우(충분히 높은 밀도 및 온도), 이 가열 프로세스는 연쇄 반응을 일으켜 중앙에서 바깥쪽으로 연소될 수 있습니다.이는 "점화"로 알려진 상태로, 대상 연료의 상당 부분이 핵융합 과정을 거치고 상당한 ^[3]양의 에너지가 방출될 수 있습니다.

지금까지 대부분의 ICF 실험은 레이저를 사용하여 표적을 가열했습니다.계산 결과, 에너지가 신속하게 전달되어 코어가 분해되기 전에 코어를 압축하고 적절한 충격파를 생성해야 합니다.또한 에너지는 연료를 대칭 노심으로 붕괴시키기 위해 목표물의 외부 표면에 매우 균일하게 집중되어야 한다.입자 가속기에서 구동되는 중이온과 같은 다른 "드라이버"가 제안되었지만,^[4][5] 현재 레이저만이 올바른 기능 조합을 가진 유일한 장치입니다.

묘사

HiPER의 경우 드라이버 레이저 시스템은 NIF와 같은 기존 시스템과 비슷하지만 상당히 작고 강력하지 않습니다.

드라이버는 건물의 한쪽 끝에 Nd: 유리 레이저 증폭기를 포함하는 다수의 "빔라인"으로 구성됩니다.연소 직전에 유리는 일련의 제논 플래시 튜브로 고에너지 상태로 "펌프"되어 유리 내 네오디뮴(Nd) 원자의 인구 반전을 일으킵니다.이를 통해 광섬유에서 외부에서 생성된 소량의 레이저 빛이 빔 라인에 공급될 때 자극 방출을 통해 증폭할 수 있습니다.유리는 빔에 전력을 전달하는 데 특별히 효과적이지 않기 때문에 가능한 한 많은 전력을 되돌리기 위해 미러형 캐비티에서 빔이 유리를 통해 4회 반사되어 매번 더 많은 전력을 ^[6]얻습니다.이 과정이 완료되면 Pockels 셀이 ^[7]캐비티에서 빛을 "전환"합니다.HiPER 프로젝트의 한 가지 문제는 Nd:glass가 더 이상 상업적으로 생산되지 않는다는 것입니다.따라서 약 1,300대의 ^[7]디스크를 공급하기 위해서는 많은 옵션을 검토해야 합니다.

거기에서 레이저광은 매우 긴 공간 필터에 공급되어 결과적으로 발생하는 펄스를 정화한다.필터는 본질적으로 광선을 어느 정도 떨어진 지점에 초점을 맞추는 망원경이며, 초점에 위치한 작은 핀홀이 레이저 광선의 불균형으로 인해 발생하는 "스트레이" 빛을 차단합니다.그런 다음 두 번째 렌즈가 다시 직선 빔으로 돌아올 때까지 빔이 넓어집니다.ICF 레이저 장치에서 볼 수 있는 긴 빔 라인으로 이어지는 것은 공간 필터의 사용입니다.HiPER의 경우 필터가 전체 길이의 약 50%를 차지합니다.드라이버 시스템의 출구에서의 빔 폭은 약 40cm ×^[8] 40cm입니다.

이전 실험, 특히 시바 레이저에서 발생한 문제 중 하나는 Nd: 유리 레이저에 의해 제공된 적외선이 표적 주위의 전자와 강하게 결합되어 그렇지 않으면 표적 자체를 가열할 상당한 양의 에너지를 손실한다는 것입니다.이는 일반적으로 빛의 주파수를 각각 녹색 또는 자외선으로 2배 또는 3배로 할 수 있는 광주파수 곱셈기를 사용하여 해결됩니다.이러한 높은 주파수는 전자와 덜 강하게 상호작용하여 타겟에 더 많은 전력을 공급합니다.HiPER는 드라이버에 ^[9]3배의 주파수를 사용합니다.

증폭 프로세스가 완료되면 레이저 빛이 건물의 한쪽 끝에 놓여 있는 실험실로 들어갑니다.여기에서는 파형 전면에 남아 있는 결함을 수정하는 데 도움이 되는 변형 가능한 거울에 반사되어 모든 각도에서 대상 챔버에 공급됩니다.빔 라인의 끝에서 타깃 챔버 상의 다른 지점까지의 전체적인 거리가 다르기 때문에 각각의 경로에 지연이 도입되어 약 10피코초(ps) 이내에 챔버 중심에 동시에 도달합니다.대상은 HiPER의 경우 직경이 약 1mm인 핵융합 연료 펠릿으로 ^[10]챔버 중앙에 있습니다.

HiPER는 압축연료를 직접 가열하기 위한 두 번째 레이저 세트를 포함하고 있다는 점에서 대부분의 ICF 장치와 다릅니다.발열 펄스는 10~20ps 정도로 매우 짧아야 하지만, 증폭기가 제대로 작동하기에는 너무 짧은 시간입니다.이 문제를 해결하기 위해 HiPER는 CPA(Chirped Pulse Amplification)라고 하는 기술을 사용합니다.CPA는 단색(단일 주파수) 소스를 사용하는 드라이버가 아닌 광대역(멀티 주파수) 레이저 소스로부터의 짧은 펄스로 시작합니다.이 초기 펄스에서 나오는 빛은 한 쌍의 회절 격자 및 광학 지연을 사용하여 다른 색으로 분할됩니다.이것은 펄스를 몇 나노초 길이의 사슬에 "삽입"시킵니다.그런 다음 정상적으로 펄스가 앰프로 전송됩니다.빔 라인을 벗어날 때 유사한 격자 세트로 재결합되어 단일 매우 짧은 펄스를 생성하지만, 펄스가 매우 높은 출력을 가지기 때문에 격자 크기가 커야 합니다(약 1m).또한 개별 빔은 전체적으로 출력이 낮아야 합니다. 시스템의 압축측에서는 각각 약 5kJ의 40개의 빔 라인을 사용하여 총 200kJ를 생성하는 반면 점화측에서는 총 70kJ 미만의 24개의 빔 라인을 필요로 합니다.빔 라인의 정확한 수와 검정력은 현재 연구 ^[10]대상입니다.히터에도 주파수 곱셈이 사용되지만, 더블링과 트리플링 중 어느 쪽을 사용할지는 아직 결정되지 않았습니다.후자는 타겟에 더 많은 전력을 공급하지만 빛을 변환하는 효율은 낮습니다.2007년 현재 베이스라인 설계는 ^[11]그린에 대한 더블을 기반으로 하고 있습니다.

고속 점화 및 HiPER

기존의 ICF 장치에서는 드라이버 레이저를 사용하여 대상을 매우 높은 밀도로 압축했습니다.이 과정에서 발생하는 충격파는 압축연료가 구 중심에서 충돌할 때 더욱 가열됩니다.압축이 충분히 대칭인 경우 온도 상승으로 인해 로슨 기준에 가까운 조건이 생성되어 발화로 이어질 수 있습니다.

목표물을 효과적으로 점화 조건으로 압축하는 데 필요한 레이저 에너지의 양은 초기 추정치보다 빠르게 증가했습니다.1970년대 ICF 연구의 "초기"에는 불과 1킬로줄(kJ)이면 ^[12][13]충분하다고 생각되었으며, 이러한 전력 수준에 도달하기 위해 많은 실험 레이저가 제작되었습니다.그들이 그렇게 했을 때, 전형적으로 붕괴의 균질성과 관련된 일련의 문제들이 내파 대칭을 심각하게 파괴하고 원래 예상했던 것보다 훨씬 더 낮은 노심 온도를 초래하는 것으로 밝혀졌다.1980년대에 걸쳐 발화에 필요한 추정 에너지는 메가줄(megajoule) 범위로 증가하여 ICF를 핵융합 에너지 생산에 실용적이지 않은 것으로 보였다.예를 들어, NIF(National Ignition Facility)는 드라이버 레이저를 펌핑하기 위해 약 420 MJ의 전력을 사용하며, 최상의 경우 약 20 MJ의 퓨전 출력을 ^[2]생산할 것으로 예상됩니다.출력이 극적으로 향상되지 않으면 이러한 장치는 결코 실용적인 에너지원이 될 수 없습니다.

고속 점화 접근은 이러한 문제를 방지하려고 시도합니다.이 접근 방식은 충격파를 사용하여 점화 범위 이상의 융접에 필요한 조건을 만드는 대신 연료를 직접 가열합니다.이것은 덜 중요해지는 충격파보다 훨씬 더 효율적입니다.HiPER에서는 드라이버에 의한 압축은 양호하지만 NIF와 같은 대형 디바이스에 의한 압축에는 거의 미치지 않습니다.HiPER 드라이버는 약 200kJ로 약 300g³/cm의 밀도를 생성합니다.이는 NIF의 약 3분의 1로 1980년대 초기 NOVA 레이저에서 발생한 것과 거의 같다.비교를 위해, 납은 약 11g³/cm이므로, 특히 0.1g/cm^{3 [10]}내외의 대상 내부에 포함된 가벼운 D-T 연료를 고려할 때 여전히 상당한 압축량을 나타낸다.

점화는 코어의 플라즈마 구멍을 통해 조준된 초고출력(~70kJ, 4PW) 레이저 펄스에 의해 시작됩니다.이 펄스의 빛은 차가운 주변 연료와 상호작용하여 연료로 구동되는 고에너지(3.5 MeV) 상대론적 전자 소나기를 생성합니다.전자는 고밀도 코어의 한쪽에 있는 스폿을 가열하며, 이 가열이 충분히 국소화되면 이 영역을 점화 ^[10]에너지 이상으로 구동할 것으로 예상됩니다.

이 접근방식의 전체적인 효율은 기존 접근방식의 몇 배입니다.NIF의 경우 레이저가 약 4 MJ의 적외선 전력을 발생시켜 약 20 MJ의 ^[2]에너지를 방출하는 점화 장치를 생성합니다.이는 입력 레이저 전력 대 출력 퓨전 전력의 비율인 약 5의 퓨전 이득에 해당합니다.현재의 HiPER 설계에 기준선 가정을 사용할 경우, 2개의 레이저(드라이버 및 히터)는 총 270 kJ를 발생시키지만, 25~30 MJ를 발생시켜 약 ^[10]100의 이득을 얻습니다.다양한 손실을 고려하면 실제 이익은 ^[10]72개 안팎이 될 것으로 예상된다.이것은 NIF를 큰 폭으로 능가할 뿐만 아니라 소형 레이저를 제작하는 비용도 훨씬 저렴합니다.비용 대비 전력 측면에서 HiPER는 NIF와 같은 기존 기기보다 약 몇 배 저렴할 것으로 예상됩니다.

압축은 이미 잘 알려진 문제이며, HiPER는 주로 급속 가열 프로세스의 정확한 물리학을 탐구하는 데 관심이 있습니다.연료 부하에서 전자가 얼마나 빨리 멈추는지 명확하지 않습니다. 정상 압력 하의 물질로 알려져 있지만, 압축 연료의 초고밀도 조건에는 해당되지 않습니다.효율적으로 작동하기 위해서는 전자가 가능한 짧은 거리에서 정지하여 에너지를 작은 점으로 방출하여 온도를 가능한 한 높여야 합니다(단위 부피당 에너지).

레이저광을 어떻게 그 장소에 비추느냐도 향후 연구해야 할 문제다.한 접근법은 다른 레이저의 짧은 펄스를 사용하여 고밀도 "핵심" 바깥의 플라즈마를 가열하여 본질적으로 구멍을 내고 내부의 고밀도 연료를 노출시킵니다.이 접근방식은 미국의 OMEGA-EP 시스템에서 테스트됩니다.일본의 GEKKO XII 레이저에서 성공적으로 테스트된 또 다른 방법은 타겟 셸의 작은 영역을 잘라내는 작은 금색 콘을 사용합니다. 가열 시 이 영역에 플라즈마가 생성되지 않고 레이저를 콘의 내면에 비추면 조준할 수 있는 구멍이 남습니다.HiPER는 현재 골드콘 방식을 사용할 계획이지만 연소 솔루션도 ^[10]연구할 예정입니다.

관련 조사

2005년에 HiPER는 건설에 대한 가능한 접근법과 논거를 요약한 예비 연구를 완료했다.이 보고서는 2007년 7월에 EC로부터 호평을 받았으며, 2008년 초에 2011년 ^{[citation needed]}또는 2012년에 시작하는 건설에 대한 상세 설계와 함께 준비 설계 단계로 이행했다.

이와 동시에 HiPER 프로젝트에서는 반복률이 높은 소형 레이저 시스템을 구축할 것을 제안하고 있습니다.레이저 앰프 글라스를 펌핑하는 데 사용되는 고출력 플래시 램프는 레이저 앰프 글라스를 변형시켜 냉각될 때까지 다시 발사할 수 없으며, 시간이 하루 정도 걸립니다.또한 튜브에 의해 발생하는 백색광 섬광의 극소량만이 Nd:유리에 흡수되는 적절한 주파수를 가지므로 일반적으로 튜브에 공급되는 에너지의 약 1~1.5%만이 레이저광에 ^[14]도달한다.

이러한 문제를 피하기 위한 열쇠는 플래시 램프를 일반적으로 레이저 다이오드에 기반한 보다 효율적인 펌프로 교체하는 것입니다.이것들은 전기로부터 빛을 발생시키는 데 훨씬 더 효율적이기 때문에 훨씬 더 시원하게 작동한다.더 중요한 것은 그들이 만들어내는 빛은 상당히 단색이며 쉽게 흡수될 수 있는 주파수에 맞춰 조정될 수 있다는 것입니다.즉, 특정 양의 레이저 광선을 생성하기 위해 소비되는 전력이 훨씬 적기 때문에 발생하는 전체 열량을 더욱 줄일 수 있습니다.효율의 향상이 현저할 수 있습니다.기존 실험용 디바이스는 전체 효율 약 10%로 동작하며, "가까운" 디바이스는 최대 20%^[15]까지 이를 개선할 것으로 생각됩니다.

현황

고속 점화 방식에 대한 추가 연구는 그것의 미래에 심각한 의문을 제기한다.2013년까지, 미국 국립 과학 아카데미는 "현 시점에서, 고속 점화 방식은 다른 점화 ^[16]개념보다 IFE에 덜 유망한 접근 방식인 것으로 보인다"며 더 이상 가치 있는 연구 방향이 아니라고 결론지었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

참고 문헌

• Mike Dunne et al., "HiPER Technical Background and Conceptual Design Report 2007", 2007년 6월
• Mike Dunne et al., "HiPER: 유럽을 위한 레이저 핵융합 설비", 2005년
• Edwin Cartlidge, "유럽은 레이저 퓨전 설비를 계획하고 있다", Physical World, 2005년 9월 2일
• Gerstner, Ed (2007), "Laser physics: Extreme light", Nature, 446 (7131): 16–18, Bibcode:2007Natur.446...16G, doi:10.1038/446016a, PMID 17330018, S2CID 4388058

외부 링크

• HiPER 프로젝트– 프로젝트 홈페이지
• Fast Track to Fusion – 골드콘 접근법 이미지 포함
• GEKKO XII/HIPER 레이저의 유체역학적 불안정성 실험– 일본에서의 동명의 비교 실험
• 레이저 비전은 에너지 미래를 촉진한다– BBC 뉴스 보도
• Mike Dunne 교수(영국 중앙 레이저 설비 책임자)는 유럽의 핵융합 에너지 생성 계획에 대해 2007년 12월, Ingenia 매거진
• HiPER Power – physics.org 기사, 2009년 8월