Nova(레이저)

노바는 1984년 미국 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)에서 제작된 고성능 레이저로 1999년 해체될 때까지 첨단 관성구속융합(ICF) 실험을 했다.노바는 대량의 에너지를 방출하는 핵융합 연쇄 반응인 "점화"에 도달하기 위해 만들어진 최초의 ICF 실험이었다.Nova가 이 목표를 달성하지 못했지만, 생성된 데이터는 문제의 대부분이 Rayleigh-Taylor의 불안정성으로 인해 발생한 것으로 명확하게 정의하여 Nova의 후속 제품인 National Ignition Facility의 설계로 이어졌습니다.노바는 또한 핵융합 발전 및 핵무기 연구 모두에서 유용한 점화 미비에도 불구하고 고밀도 물질 물리학에 대한 상당한 양의 데이터를 생성했다.

배경

관성구속융합(ICF) 장치는 드라이버를 사용하여 대상을 압축하기 위해 대상 외층을 빠르게 가열합니다.대상은 수 밀리그램의 핵융합 연료를 포함하는 작은 구형 펠릿이며, 일반적으로 중수소와 삼중수소의 혼합물이다.레이저의 열은 펠릿의 표면을 태워 플라즈마로 만들고, 플라즈마는 표면에서 폭발합니다.목표물의 나머지 부분은 뉴턴의 제3법칙 때문에 안쪽으로 이동하며, 결국 매우 높은 ^[1]밀도의 작은 점으로 붕괴됩니다.

또한 빠른 분출은 압축 연료의 중심을 향해 이동하는 충격파를 생성합니다.연료의 중심에 도달하여 목표물의 반대쪽에서 오는 충격을 만나면 충격파의 에너지가 주변의 작은 부피를 더욱 가열하고 압축합니다.그 작은 점의 온도와 밀도가 충분히 높아지면 핵융합 반응이 ^[1]일어날 것이다.

핵융합 반응은 고에너지 입자를 방출하며, 그 중 일부는(주로 알파 입자) 주변의 고밀도 연료와 충돌하여 속도가 느려집니다.이것은 연료를 가열하고 잠재적으로 연료도 융접을 겪게 할 수 있습니다.압축 연료의 올바른 전반적인 조건(충분히 높은 밀도 및 온도)이 주어진다면, 이 가열 과정은 연쇄 반응을 일으켜 충격파가 반응을 시작한 중심에서 바깥쪽으로 연소될 수 있습니다.이는 점화라고 알려진 상태로, 대상 연료의 상당 부분이 핵융합 과정을 거치고 상당한 ^[2]양의 에너지가 방출될 수 있습니다.

지금까지 대부분의 ICF 실험은 레이저를 사용하여 표적을 가열해 왔다.계산 결과 노심이 분해되기 전에 코어를 압축하고 적절한 충격파를 생성하기 위해서는 에너지가 신속하게 전달되어야 합니다.또한 연료를 대칭 노심으로 붕괴시키기 위해서는 에너지가 목표물의 외부 표면에 매우 균일하게 집중되어야 한다.입자 가속기에서 구동되는 중이온과 같은 다른 "드라이버"가 제안되었지만,^[3][4] 현재 레이저만이 올바른 기능 조합을 가진 유일한 장치입니다.

역사

비록 이 매우 낮은 현대 기계와 비교 동력 기술의 상태를 벗어난 걸 그 당시에 들리는 동안" 높은 이득"1MJ.[5][6]에 에너지가 필요한 국제 교류 진흥회. 프로그램과 함께 로렌스 리버모어 국립 연구소의 역사 물리학자 존 눅콜스, 1972년에 점화 레이저 에너지와 함께 1킬로줄에 대해 이뤄질 것으로 전망했다로 시작합니다. 무기력er 이 전력 범위 내의 레이저를 생성하는 프로그램입니다.

노바의 건설 이전에 LLNL은 기본적인 ICF 설계의 문제점을 탐구하는 일련의 대형 레이저를 설계하고 제작했습니다.LLNL은 주로 Nd:glass 레이저에 관심이 많았는데, 이는 당시 알려진 몇 안 되는 고에너지 레이저 설계 중 하나였습니다.LLNL은 일찌감치 유리 레이저에 집중하기로 결정했으며, 다른 시설에서는 이산화탄소(예: 안타레스 레이저, 로스앨러모스 국립 연구소) 또는 KrF(예: 나이키 레이저, 해군 연구소)를 이용한 가스 레이저를 연구했다.대형 Nd: 유리 레이저를 제작하는 것은 이전에 시도된 적이 없으며, LLNL의 초기 연구는 주로 이러한 ^[7]장치를 만드는 방법에 초점을 맞췄습니다.

한 가지 문제는 빔의 균질성이었다.빔의 강도의 작은 변화라도 커 렌즈라고 알려진 과정에서 공기 및 유리 광학에서 "자기 초점"을 얻을 수 있습니다.그 결과 나온 빔에는 매우 높은 빛의 세기의 작은 "필라멘트"가 포함되어 있어서, 매우 높으면 장치의 유리 광학을 손상시킬 수 있었다.이 문제는 공간 필터링 기술의 도입으로 Cyclops 레이저에서 해결되었습니다.사이클롭스 다음으로 더 강력한 아거스 레이저가 등장했는데, 이 레이저는 두 개 이상의 빔을 제어하고 대상을 보다 균등하게 ^[7]비추는 문제를 탐구했습니다.이 모든 작업은 시바 레이저로 마무리되었습니다.시바 레이저란 ^[8]고출력 시스템을 위한 개념 증명 설계로, 20개의 "레이저 앰프"가 목표물을 비추도록 되어 있습니다.

또 다른 심각한 문제가 나타난 것은 Shiva와의 실험 중이었다.Nd: 유리 레이저에 의해 생성된 적외선은 자극된 라만 산란 과정을 통해 초기 가열 과정에서 생성된 플라즈마 내의 전자와 매우 강하게 상호작용하는 것으로 밝혀졌다."핫 일렉트론 예열"이라고 불리는 이 과정은 레이저의 에너지를 대량으로 소모하여 타겟의 코어가 최대 압축에 도달하기 전에 가열되도록 했습니다.이는 가열된 코어의 외부 힘뿐만 아니라 내부 에너지의 감소로 인해 붕괴의 중심에 축적되는 에너지가 훨씬 적다는 것을 의미했다.파장이 짧으면 이 문제가 줄어들 것으로 알려졌지만, 시바에서 사용되는 IR 주파수는 "충분히 짧을 것" 것으로 예상되었다.이것은 ^[9]사실이 아닌 것으로 판명되었다.

이 문제에 대한 해결책은 효율적인 주파수 곱셈기, 여러 광자를 더 높은 에너지 중 하나로 결합하는 광학 장치, 즉 주파수의 형태로 탐구되었다.이 장치들은 OMEGA 레이저와 다른 것들로 빠르게 도입되고 실험되어 효과가 입증되었습니다.공정 효율은 약 50%에 불과하고 원래 레이저 출력의 절반이 손실되지만, 결과적으로 발생하는 자외선은 타깃 플라즈마에 훨씬 효율적으로 결합되어 타깃을 고밀도로 분해하는 데 훨씬 효과적입니다.

이러한 솔루션을 사용하여 LLNL은 점화 조건을 생성하는 데 필요한 동력으로 장치를 제작하기로 결정했다.설계는 1970년대 후반에 시작되었으며, 기본 빔 라인과 주파수 승수 설계를 검증하기 위한 테스트베드 11월 레이저를 시작으로 곧 공사가 뒤따랐다.이 시기는 미국에서 에너지 위기가 반복되던 시기였고 대체 에너지와 핵무기 연구에 사용할 수 있는 많은 돈을 찾는 것은 어렵지 않았다.

설계.

초기 건설 단계에서 Nuckolls는 그의 계산에서 오류를 발견하였고, 1979년 10월 TRW의 John Foster Jr.가 주재한 리뷰에서 Nova가 점화 장치에 도달할 방법이 없음을 확인하였다.그런 다음 Nova 설계를 351 nm 빛에 주파수 변환을 추가하여 커플링 효율을 ^[10]높인 더 작은 설계로 수정했습니다."새로운 노바"는 10개의 레이저 증폭기, 즉 빔 라인을 가진 시스템으로 등장했다.각 빔 라인은 공간 필터 및 결과 빔을 청소하기 위한 기타 광학으로 분리된 일련의 Nd: 유리 증폭기로 구성되었습니다.빔 라인을 접는 기술은 시바(Shiva) 때부터 알려져 있었지만 이 시점에서는 잘 개발되지 않았습니다.Nova의 레이아웃은 한 번 접혔고 빔 라인을 포함하는 레이저 베이는 길이가 300피트(91m)였습니다.일반 관찰자에게는 300피트(91m) 길이의 빔라인 20개를 포함하는 것으로 보이지만, 접힌 부분 때문에 광로 ^[11]길이 면에서 10개 각각은 실제로는 거의 600피트(180m)의 길이이다.

점화하기 전에 먼저 Nd: 글라스 앰프를 둘러싸고 있는 일련의 제논 플래시 램프로 펌핑합니다.램프가 만들어내는 빛 중 일부는 유리에 포착되어 모집단 반전이 일어나 자극 방출을 통해 증폭이 가능합니다.이 과정은 매우 비효율적이며 램프로 공급되는 전력의 약 1~1.5%만이 실제로 레이저 에너지로 전환됩니다.Nova에 필요한 레이저 전력을 생산하기 위해서는 램프가 매우 커야 했습니다.레이저 베이 아래에 있는 큰 콘덴서 뱅크로부터 전력을 공급받습니다.또한 플래시는 많은 양의 열을 발생시켜 유리를 왜곡시켜 램프와 유리가 다시 점화되기 전에 냉각되는 데 시간이 걸립니다.따라서 Nova는 하루에 최대 6회까지 발사할 수 있습니다.

펌핑이 완료되고 발사 준비가 되면 소량의 레이저 펄스가 빔 라인에 공급됩니다.Nd: 유리 디스크는 빔이 빔을 통과할 때 빔에 추가 전력을 공급합니다.광펄스는 여러 증폭기를 통과한 후 공간 필터에서 "정리"된 후 다른 증폭기 시리즈로 공급됩니다.각 단계에서 빔의 직경을 늘리고 점점 더 큰 앰프 디스크를 사용할 수 있도록 추가 광섬유가 사용되었습니다.Nova는 빔 ^[11]라인에 15개의 증폭기와 5개의 크기 증가 필터를 포함했으며, 마지막 스테이지에 증폭기를 추가할 수 있는 옵션이 포함되었지만 실제로 사용되었는지는 확실하지 않습니다.

여기서부터 10개의 빔은 모두 레이저 베이의 한쪽 끝에 있는 실험 영역으로 통과합니다.여기에서는 일련의 거울이 빔을 반사시켜 모든 각도에서 만 중앙을 침범합니다.일부 경로에 있는 광학 장치는 빔이 다른 빔보다 중앙으로 가는 경로가 길기 때문에 빔이 모두 동시에(약 1피코초 이내) 중심에 도달하도록 빔을 느리게 합니다.주파수 곱셈기는 "타깃 챔버"에 들어가기 직전에 빛을 녹색과 파란색(UV)으로 상향 변환합니다.Nova는 남아있는 IR 또는 녹색 빛이 ^[11]챔버 중앙에 집중되지 않도록 배치되어 있습니다.

노바레이저는 전체적으로 1054nm에서 약 100kjou의 적외선을 방출하거나 351nm(1054nm에서 Nd:Glass 기본선의 세 번째 고조파)에서 40~45kjou의 주파수를 3배 가량 방출할 수 있어 16트릴 범위의 UV 펄스를 발생시킬 수 있었다.이온 ^[11]와트

퓨전 인 노바

Nova에 대한 연구는 일반적으로 금, 납 또는 다른 고z 금속으로 만들어진 얇은 금속 포일의 내부 표면에 레이저를 비추는 간접 드라이브 접근법에 초점을 맞췄다.레이저에 의해 가열되면 금속은 이 에너지를 확산 X선으로 재방사하여 연료 펠릿을 압축하는 데 UV보다 효율적입니다.X선을 방출하려면 금속을 매우 높은 온도로 가열해야 하며, 이는 상당한 양의 레이저 에너지를 소모합니다.따라서 압축은 더 효율적이지만 타깃으로 전달되는 전체 에너지는 훨씬 더 작습니다.X선 변환의 이유는 에너지 전달을 개선하기 위해서가 아니라 에너지 프로파일을 "평활하게" 하기 위해서입니다. 금속 호일이 열을 어느 정도 분산시키기 때문에 원래 레이저의 이방성이 크게 ^[11]감소합니다.

호일 셸 또는 호일럼은 일반적으로 개방된 작은 실린더로 형성되며, 레이저가 내부 표면을 타격하기 위해 열린 끝에서 비스듬한 각도로 빛나도록 배치됩니다.Nova의 간접 드라이브 연구를 지원하기 위해, 레이저 베이 맞은편 메인 영역과 "지나간" 두 번째 실험 영역을 구축했습니다.시스템은 10개의 빔을 모두 5개씩 2개의 세트로 집중하도록 배치되어 있습니다. 빔은 두 번째 영역을 통과한 다음 타깃 챔버의 양쪽 끝을 지나 홀라움으로 들어갑니다.^[12]

혼란스럽게도, 간접 운전 접근법은 1993년까지 널리 공개되지 않았습니다.일반 과학 잡지 및 이와 유사한 자료에 실린 노바 시대의 문서들은 이 문제를 얼버무리거나, Nova가 Hohlraum이 ^[13]없는 직접 드라이브 방식을 사용했음을 암시합니다.

이전 시바에서와 마찬가지로 노바는 퓨전 생산량 면에서 기대에 미치지 못했다.NOVA의 최대 핵융합 수율은 한 발당 약 10개의¹³ 중성자였다.이 경우, 붕괴 중에 연료의 난류 혼합을 유발하고 충격파의 형성과 전달을 혼란시키는 불안정성으로 문제를 추적했다.이 문제는 Nova가 각 빔 라인의 출력 에너지를 밀접하게 일치시키지 못했기 때문에 발생했는데, 이는 펠릿의 각 부위가 표면 전체에 걸쳐 서로 다른 양의 열을 받는다는 것을 의미합니다.이로 인해 펠릿의 핫 스팟이 붕괴 플라즈마에 각인되어 레일리-테일러의 불안정성이 심어져 플라즈마가 혼합되어 중심이 ^[14]균일하게 붕괴되지 않게 되었습니다.

그럼에도 불구하고 노바는 원래 형태에서도 유용한 악기로 남아 있었고, 주 타깃 챔버와 빔라인은 아래와 같이 개조된 후에도 오랫동안 사용되었습니다.Nova를 개선하고 NIF를 ^[15]더 잘 이해하기 위해 빔을 평활화하는 여러 가지 다른 기술이 수명 동안 시도되었습니다.이러한 실험은 ICF에 대한 이해뿐만 아니라 일반적으로 고밀도 물리학, 그리고 은하와 초신성의 진화에 상당한 도움을 주었습니다.

변경 사항

투빔

노바의 완성 직후 실험용 기기로서의 개선을 위한 수정이 이루어졌다.

한 가지 문제는 실험실이 레이저를 식히는 데 필요한 시간보다 더 오랜 시간 동안 다른 촬영을 위해 재장착하는 데 오랜 시간이 걸린다는 것이었다.레이저의 활용도를 높이기 위해 10개의 빔 라인을 두 개로 결합하는 광학 장치를 갖춘 두 번째 실험실을 원본 뒤에 만들었습니다.노바는 두 개의 실험실이 등을 맞대고 있고 빔 라인이 중앙 목표 지역에서 바깥쪽으로 뻗어 있는 오래된 시바 빌딩에 맞서 세워져 있었다.Two Beam 시스템은 빔가이드와 관련 광학을 현재 사용되지 않는 Shiva 실험 구역에 통과시키고 작은 실험실을 Shiva 빔 ^[16]베이에 배치함으로써 설치되었습니다.

LMF 및 Nova 업그레이드

노바의 부분적인 성공은 다른 실험 수치와 결합되어 에너지부가 100에서 1000 MJ 사이의 핵융합 수율을 달성할 수 있는 "Laboratory Microfusion Facility"(LMF)라고 불리는 맞춤형 군사용 ICF 시설을 요청하게 되었다. LASNEX 컴퓨터 모델에 따르면, LMF는 약 10 M의 드라이버가 필요할 것으로 추정되었다.J,^[10] 핵실험에도 불구하고 더 높은 힘을 나타냈습니다.이러한 장치를 만드는 것은 최첨단 수준이었지만, 약 10억 ^[17]달러의 비용이 들 것입니다.LLNL은 약 200 MJ 수율에 도달할 수 있는 5 MJ 350 nm (UV) 드라이버 레이저로 설계를 반환했습니다. 이는 LMF 목표의 대부분에 접근하기에 충분했습니다.이 프로그램에는 1989 회계연도 약 6억 달러가 소요되며, 필요에 따라 전체 1000 MJ로 업그레이드하기 위해 2억 5천만 달러가 추가로 소요되었으며, LMF가 DOE가 ^[17]요구한 모든 목표를 충족할 경우 10억 달러를 훨씬 초과할 것으로 예상되었습니다.다른 연구소들도 다른 기술을 이용한 자체 LMF 설계를 제안했습니다.

이 거대한 프로젝트에 직면하여 1989/90년 미국 국립과학아카데미는 미국 의회를 대표하여 미국 ICF의 노력에 대한 두 번째 검토를 실시하였다.보고서는 "목표물리학과 드라이버 성능 및 10억 달러의 비용을 고려할 때, 위원회는 LMF[즉, 1기가 줄의 수율을 가진 레이저 마이크로퓨전 설비]가 현재 프로그램에서 직접 취하기에는 너무 큰 조치라고 생각한다"고 결론지었다.보고서는 단기적으로 프로그램의 주요 목표는 점화 관련 다양한 문제를 해결하는 것이며 이러한 문제가 ^[18]해결될 때까지 본격적인 LMF를 시도해서는 안 된다고 제안했다.보고서는 또한 LANL에서 행해지고 있는 가스 레이저 실험에 비판적이었으며, 이 실험들과 다른 연구소의 유사한 프로젝트들은 중단되어야 한다고 제안했다.보고서는 LASNEX 수치를 받아들여 10 MJ 정도의 레이저 에너지를 사용한 접근방식을 계속 승인했다. 그럼에도 불구하고 저자들은 더 높은 에너지 요건의 가능성을 알고 있었으며, "실제로 점화 및 이득에 100 MJ 드라이버가 필요한 것으로 판명된 경우 100 MJ 드라이버와 비율에 대한 전체 접근방식을 재고해야 할 것이다.네, ICF.^[18]

1992년 7월, LLNL은 이러한 제안에 대해 기존의 Nova 설비의 대부분을 인접한 Shiva 설비와 함께 재사용하는 Nova Upgrade로 대응했습니다.그 백혈구 유사 분열 인자 개념보다 1~2MJ.[19]의 새로운 디자인은 예술의 운전사는 섹션의 국가 고급 기능의 주된 증폭기에서 월에 288"beamlets"으로 나뉘어 졌어는 다중 패스 디자인, 18beamlines(10에서)을 포함하여 많은 등이 포함된 기사와 그 결과 시스템들도 훨씬 낮은 세력이었다.et조명의 균일성을 개선하기 위해 아겟 영역을 만듭니다.이 계획에서는 레이저 빔 라인의 2개의 메인 뱅크(기존 노바 빔 라인 룸에 1개, 옆 시바 빌딩에 1개)를 설치하여 레이저 베이와 타깃 영역을 통해 업그레이드된 노바 타깃 ^[20]영역으로 확장할 것을 요구하고 있습니다.레이저는 4 ns 펄스로 약 500 TW를 전달합니다.이 업그레이드로 인해 신형 노바는 2~20MJ의^[17] 핵융합 수율을 생산할 수 있을 것으로 예상되었으며, 1992년부터 추정된 건설 비용은 약 4억 달러였으며, 건설은 1995년부터 1999년까지 이루어졌다.

역사적 기록에 잘 기록되지 않은 이유로 1992년 후반 LLNL은 노바 업그레이드 제안을 업데이트하고 기존 노바/시바 건물이 더 이상 새로운 시스템을 수용할 수 없으며 약 3배 크기의 새 건물이 ^[21]필요할 것이라고 밝혔다.그때부터 계획은 현재의 국가 점화 시설로 발전했다.

페타와트

1980년대 후반부터 매우 짧지만 매우 고출력 레이저 펄스를 생성하는 새로운 방법이 개발되었는데, 이를 차핑 펄스 증폭(CPA)이라고 합니다.1992년부터 LLNL 직원은 최대 1.25PW를 생산하는 실험 CPA 레이저를 만들기 위해 Nova의 기존 암 중 하나를 수정했습니다.단순히 페타와트라고 알려진 그것은 노바가 ^[22][23]NIF에 자리를 내주기 위해 해체된 1999년까지 운영되었다.

노바 등 당시 고출력 레이저에 사용된 기본 증폭 시스템은 전력 밀도와 펄스 길이 면에서 제한적이었다.한 가지 문제는 앰프 글라스가 순간적으로 반응하지 않고 일정 기간에 걸쳐 반응하며 매우 짧은 펄스가 강하게 증폭되지 않는다는 것이었다.또 다른 문제는 높은 전력 밀도로 인해 초기 설계에서 문제를 일으켰던 것과 같은 종류의 자기 초점 문제가 발생했지만 공간 필터링과 같은 측정만으로는 충분하지 않다는 것입니다. 사실 전력 밀도는 공기 중에 필라멘트가 형성될 정도로 충분히 높았습니다.

CPA는 레이저 펄스를 적시에 확산시킴으로써 이 두 가지 문제를 모두 방지합니다.이것은 (대부분의 레이저에 비해) 비교적 다색성 펄스를 반사하여 일련의 2개의 회절 격자를 공간적으로 다른 주파수로 분할하는 것으로, 기본적으로 단순한 프리즘이 가시광선에 대해 하는 것과 같다.이러한 개별 주파수는 빔 라인에 반사될 때 서로 다른 거리를 이동해야 하며, 결과적으로 펄스가 시간 내에 "확장"됩니다.이 긴 펄스는 정상적으로 앰프로 공급되며, 앰프는 이제 정상적으로 응답할 시간이 있습니다.증폭 후 빔은 "역방향"으로 두 번째 격자 쌍으로 보내져 고출력의 단일 짧은 펄스로 재결합됩니다.필라멘테이션 또는 광학소자의 손상을 방지하기 위해 빔라인의 전단을 대형 진공챔버에 배치한다.

Petawatt는 고속 점화 핵융합 개념의 실용적인 기반을 발전시키는 데 중요한 역할을 했지만, 그것이 개념 증명 장치로 작동했을 때 이미 NIF를 진행하기로 결정한 상태였다.고속 점화 어프로치에 대한 추가 작업은 계속되고 있으며, 잠재적으로 유럽연합에서 개발 중인 실험 시스템인 HiPER의 NIF보다 훨씬 앞선 수준에 도달할 수 있다.

노바의 죽음

Nova가 NIF에 자리를 내주기 위해 해체될 때, 대상 챔버는 여러 면에서 NIF와 유사한 시스템인 Laser Megajoule의 개발 과정에서 프랑스에 임시로 대여되었다.이 대출은 당시 LLNL의 유일한 다른 운영 레이저인 빔렛(NIF를 위한 단일 실험 빔라인)이 최근 뉴멕시코의 Sandia National Laboratory로 보내졌기 때문에 논란이 되었다.이로 인해 NIF가 가동을 시작할 때까지 LLNL에는 대규모 레이저 설비가 없어졌으며, 이는 빨라야 2003년으로 추정되었다.NIF에 관한 작업은 2009년 ^[24]3월 31일까지 공식적으로 완료되었다고 선언되지 않았다.

레퍼런스

참고 문헌