Концепция построения лазерной установки мегаджоульного уровня Гаранин С.Г.

2 Испытания первой водородной бомбы

3 Лазерные термоядерные мишени Мишени прямого облучения: Мишени непрямого облучения: Лазерные пучки Плазменная корона Сжатая DT- топливо радиусом R с плотностью и температурой Т Неиспаренная оболочка Первой опубликованной работой по использованию лазера для зажигания термоядерного горючего явилась работа Н.Г. Басова и О.Н. Крохина

4 Критерий зажигания E f E DT ; 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/c s и критерий Лоусона переходит в

5 Зажигание термоядерной мишени DT-топливо нужно сжимать, и чем сильнее, тем лучше. Возможности сжатия ограничиваются симметрией мишени и сжимающего устройства. При = 100 г/см 3 Е DT (min) 13 кДж Оптическая толщина R топлива и энергия мишени в зависимости от температуры Условие Е F > Е DT трансформируется в

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: M o - начальная масса оболочки M - масса неиспаренной оболочки при η 1 0,3 - эффективность передачи энергии от неиспаренной оболочки DT- топливу

7 Энергетический баланс для термоядерной электростанции Преобразователь термоядерной энергии в электрическую Драйвер E0E0 GE 0 GE 0 T GE 0 T (1- ) D G T 1 0,25 T 0,4 D G 10

8 Основные проблемы инерционного термоядерного синтеза Демонстрация зажигания и горения термоядерной мишени Демонстрация того, что произведение эффективности драйвера и коэффициента усиления синтеза может быть D G 10 Разработка конструкции драйвера с высокой частотой повторения ( 10 Hz) и конструирование оптимального экологически безопасного и экономически выгодного реактора

9 Поглощение лазерного излучения Коэффициент поглощения для сферической плазмы где Лазерный свет распространяется в плазме только если плотность электронной плазмы меньше, чем критическая, которая зависит от длины волны или частоты лазера Поглощение лазерного излучения возрастает с уменьшением квадрата длины волны Мишень Критическая поверхность

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» - эксперимент; - расчет по программе СНДП аб

12 Исследования сжатия мишеней прямого облучения (одномерные расчеты) Зависимость нейтронного выхода N и максимальной степени сжатия от внешнего радиуса оболочки R 0 Временная форма профилированного импульса R 0 1,5 мм; R CH 33 мкм; R DT 23 мкм Одномерные газодинамические расчеты показывают, что полимерная криогенная мишень зажигается при воздействии лазерным импульсом на длине волны 0,35 мкм при энергии E L 500 кДж с коэффициентом усиления G 10

13 Реализация условий сферически симметричного сжатия DT-топлива - главная проблема ИТС RsRs R min R ma x Возможная форма области DT- газа на момент максимального сжатия при неоднородном облучении мишени При получим Оценка требований к крупномасштабной неоднородности облучения мишени Факторы, ограничивающие предельное сжатие: неоднородность облучения мишени несферичность и разнотолщинность оболочки гидродинамические неустойчивости и турбулентное перемешивание

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 и турбулентного перемешивания вещества оболочки с термоядерным топливом. Моделирование турбулентного перемешивания невозможно без развития вычислительных 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 а б 2% 9%

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: 500 кДж Длительность лазерного импульса: 3-5 нс Форма лазерного импульса: профилированная Длина волны лазерного излучения: 500 нм Однородность облучения мишени: I/I 3% Несферичность и разнотолщинность оболочек: 3%

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

19 Установка NIF 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 ЗданиеКамера взаимодействия Рентгеновская мишень

20 Общий вид установки УФЛ-2М Предложенная компоновочная схема размещения установки позволит выделить первый пусковой комплекс и начать эксперименты в 2017 г. Габариты – 322,5 67 м 2 ; Длина лазерного зала – 130 м; Камера взаимодействия – 10 м; Высота камерного зала – 34 м; Чистые помещения – м 2 (40% от общей площади).

21 Новые технологии используемые при разработке концепции установки и ее параметры РФ NIF (США) LMJ (Франция) Энергия на мишени, МДж Год запуска Новые технологии позволяют значительно упростить конструкцию и удешевить стоимость создание установки 192 канала с размером пучка – 400×400 мм 2 Энергия на выходе – 4,6 МДж Активные лазерные элементы из стекла с новым составом Смешанная диодно-ламповая система накачки лазерных элементов Облучение мишени на второй гармонике, сферический бокс- конвертор Новый алгоритм системы наведения и юстировки Система сглаживания на основе динамической плазменной фазовой пластинки

22 Финальный оптический модуль на мишень 3 входное окно объектив калориметр 3 элементы системы сглаживания дифракционная диагностическая решетка удвоитель сумматор дифракционная решетка на мишень 2 объектив защитное стекло элементы системы сглаживания защитное стекло Искра-6 УФЛ-2М

23 Схема лазерного канала установки Усилитель У1 Усилитель У2 КПФ ТПФ Реверсор Выход ПараметрЗначение Размер АЭ (с кладингом) мм Рабочая апертура мм Концентрация ионов Nd3+ 3,5±0,1 10²º см -3 Лучевая прочность 20 Дж/см 2 Количество в лазерном модуле144 ВСЕГО3456 Параметры активных элементов 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 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. 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.

25 Установка «Искра-5» Параметры установки: Энергия излучения 30 кДж Длина волны 1,315 мкм Длительность импульса 0,3-0,4 нс Мощность100 TВт Число каналов 12 Задача: Исследование физики работы мишени непрямого облучения Сферическая мишень непрямого облучения

26 Результаты экспериментов со сферическими мишенями непрямого облучения Обскурограмма мишени, полученная в типичном эксперименте, =10 3 Регистрация формы спектра рентгеновского излучения в боксе диаметром 2 мм Скорость полета оболочки ~3·10 7 см/c Отношение экспериментального и расчетного нейтронного выхода от радиального схождения центральной капсулы на момент генерации нейтронов 1 – свечение лазерной короны кожуха-конвертора, 2 – свечение центральной капсулы Регистрация рентгеновского излучения центральной мишени с пространственным разрешением

27 Исследования влияния асимметрии поля рентгеновского излучения на динамику работы мишени - - experiments - calculations 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 Динамическая плазменная фазовая пластина МПО Фазовая пластина Сгусток плазмы ЛИ 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 раз Эксперименты с плазменной фазовой пластиной:

29 Экспериментальные применения метода ДПФП

30 Система лазерного облучения Расположение первичных пятен Расположение объективов Выбранная конфигурация фокусирующих объективов позволяет достичь среднеквадратичной неоднородности рентгеновской освещенности центральной мишени e rms

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 Секция блока усилительного Ламповая кассета АЭ Защитное стекло Кассета с АЭ Ламповая кассета диаметр лампы – 50 мм длина лампы – 2050 мм рабочая энергия, рассеиваемая в лампе – 38.5 кДж длительность импульса тока мкс ресурс лампы импульсов материал оболочки – кварц, легированный церием Импульсные ксеноновые лампы Количество лазерных каналов - 8. Апертура лазерного канала мм. Длина лазерного канала – 130 м. Энергия лазерного импульса в канале – 23 кДж.

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

34 Установка NIF

35 Симметрия облучения капсул «Искра-5», =10 3 NIF Изображение капсулы в рентгеновском излучении Нормированный нейтронный выход Зависимость отношения экспериментального и расчетного нейтронного выхода от радиального схождения центральной капсулы на момент генерации нейтронов

36 Развитие лазерных технологий На лазерных установках «ИСКРА-5» и «ЛУЧ» получены данные по ударной сжимаемости Pb при давлениях до 80 Мбар и адиабатическому расширению ударно сжатого Cu Создана технология изготовления рентгеновских зеркал с Ir покрытием 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.