Nova fue un láser de alta potencia construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California , Estados Unidos, en 1984, que realizó experimentos avanzados de fusión por confinamiento inercial (ICF) hasta su desmantelamiento en 1999. Nova fue el primer experimento ICF construido con el intención de llegar a la "ignición", una reacción en cadena de fusión nuclear que libera una gran cantidad de energía. Aunque Nova fracasó en este objetivo, los datos que generó definieron claramente que el problema era principalmente resultado de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor , lo que llevó al diseño de la Instalación Nacional de Ignición , sucesora de Nova. Nova también generó cantidades considerables de datos sobre física de la materia de alta densidad, independientemente de la falta de ignición, lo que es útil tanto en la investigación de la energía de fusión como en la de armas nucleares .
Los dispositivos de fusión por confinamiento inercial (ICF) utilizan controladores para calentar rápidamente las capas externas de un objetivo con el fin de comprimirlo. El objetivo es una pequeña pastilla esférica que contiene unos pocos miligramos de combustible de fusión, normalmente una mezcla de deuterio y tritio . El calor del láser conductor quema la superficie del pellet hasta convertirlo en plasma , que explota en la superficie. La porción restante del objetivo es empujada hacia adentro debido a la Tercera Ley de Newton , y eventualmente colapsa en un pequeño punto de muy alta densidad. [1]
La rápida descarga también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido. Cuando llega al centro del combustible y recibe el impacto del otro lado del objetivo, la energía de la onda de choque calienta y comprime aún más el pequeño volumen que lo rodea. Si la temperatura y la densidad de ese pequeño punto pueden elevarse lo suficiente, se producirán reacciones de fusión en una pequeña porción del combustible. [1]
Las reacciones de fusión liberan partículas de alta energía, algunas de las cuales (principalmente partículas alfa ) chocan con el combustible de alta densidad restante a su alrededor y disminuyen su velocidad. Esto calienta el combustible y potencialmente puede hacer que ese combustible también se fusione. Dadas las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (densidad y temperatura suficientemente altas), este proceso de calentamiento puede resultar en una reacción en cadena , quemando el combustible hacia afuera desde el centro donde la onda de choque inició la reacción. Esta es una condición conocida como ignición , que puede provocar que una porción significativa del combustible en el objetivo se fusione y la liberación de cantidades significativas de energía. [2]
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos del ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe entregarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desmonte, además de crear una onda de choque adecuada. La energía también debe concentrarse de manera extremadamente uniforme en la superficie exterior del objetivo para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Aunque se han sugerido otros "impulsores", en particular iones pesados impulsados en aceleradores de partículas , los láseres son actualmente los únicos dispositivos con la combinación adecuada de características. [3] [4]
La historia de LLNL con el programa ICF comienza con el físico John Nuckolls, quien predijo en 1972 que la ignición podría lograrse con energías láser de aproximadamente 1 kJ, mientras que una "alta ganancia" requeriría energías de alrededor de 1 MJ. [5] [6] Aunque esto suena con una potencia muy baja en comparación con las máquinas modernas, en ese momento estaba más allá del estado de la técnica y condujo a una serie de programas para producir láseres en este rango de potencia.
Antes de la construcción de Nova, LLNL había diseñado y construido una serie de láseres cada vez más grandes que exploraban los problemas del diseño básico de ICF. LLNL estaba interesado principalmente en el láser Nd:vidrio , que, en ese momento, era uno de los pocos diseños de láser de alta energía conocidos. LLNL había decidido desde el principio concentrarse en los láseres de vidrio, mientras que otras instalaciones estudiaban láseres de gas que utilizan dióxido de carbono (p. ej., el láser Antares, del Laboratorio Nacional de Los Alamos ) o KrF (p. ej ., el láser Nike , del Laboratorio de Investigación Naval ). Nunca antes se había intentado construir grandes láseres de Nd:vidrio, y las primeras investigaciones de LLNL se centraron principalmente en cómo fabricar estos dispositivos. [7]
Un problema fue la homogeneidad de las vigas. Incluso variaciones menores en la intensidad de los haces darían como resultado un "autoenfoque" en la óptica de aire y vidrio en un proceso conocido como lente de Kerr . El haz resultante incluía pequeños "filamentos" de una intensidad luminosa extremadamente alta, tan alta que dañaría la óptica de vidrio del dispositivo. Este problema se resolvió en el láser Cyclops con la introducción de la técnica de filtrado espacial . A Cyclops le siguió el láser Argus de mayor potencia, que exploró los problemas de controlar más de un rayo e iluminar un objetivo de manera más uniforme. [7] Todo este trabajo culminó en el láser Shiva , un diseño de prueba de concepto para un sistema de alta potencia que incluía 20 "amplificadores láser" separados que se dirigían alrededor del objetivo para iluminarlo. [8]
Fue durante los experimentos con Shiva cuando apareció otro problema grave e inesperado. Se descubrió que la luz infrarroja generada por los láseres de Nd:vidrio interactúa muy fuertemente con los electrones en el plasma creado durante el calentamiento inicial mediante el proceso de dispersión Raman estimulada . Este proceso, denominado "precalentamiento de electrones calientes", se llevó una gran cantidad de energía del láser y también provocó que el núcleo del objetivo se calentara antes de alcanzar la compresión máxima. Esto significó que se depositaba mucha menos energía en el centro del colapso, tanto debido a la reducción de la energía de implosión como a la fuerza hacia afuera del núcleo calentado. Aunque se sabía que longitudes de onda más cortas reducirían este problema, anteriormente se esperaba que las frecuencias IR utilizadas en Shiva fueran "lo suficientemente cortas". Esto no resultó ser el caso. [9]
Se exploró una solución a este problema en forma de multiplicadores de frecuencia eficientes , dispositivos ópticos que combinan varios fotones en uno de mayor energía y, por tanto, de mayor frecuencia. Estos dispositivos se introdujeron rápidamente y se probaron experimentalmente con el láser OMEGA y otros, demostrando su eficacia. Aunque el proceso tiene sólo un 50% de eficiencia y se pierde la mitad de la potencia del láser original, la luz ultravioleta resultante se acopla mucho más eficientemente al plasma objetivo y es mucho más efectiva para colapsar el objetivo a una alta densidad.
Con estas soluciones en mano, LLNL decidió construir un dispositivo con la potencia necesaria para producir las condiciones de ignición. El diseño comenzó a fines de la década de 1970, y la construcción comenzó poco después con el banco de pruebas láser Novette para validar el diseño básico de la línea de luz y el multiplicador de frecuencia. Era una época de repetidas crisis energéticas en Estados Unidos y no fue difícil encontrar financiación dadas las grandes cantidades de dinero disponibles para la investigación de energías alternativas y armas nucleares.
Durante la fase inicial de construcción, Nuckolls encontró un error en sus cálculos, y una revisión de octubre de 1979 presidida por John Foster Jr. de TRW confirmó que no había manera de que Nova alcanzara la ignición. Luego, el diseño de Nova se modificó a un diseño más pequeño que agregó conversión de frecuencia a luz de 351 nm, lo que aumentaría la eficiencia del acoplamiento. [10] El "nuevo Nova" surgió como un sistema con diez amplificadores láser, o líneas de luz . Cada línea de luz constaba de una serie de amplificadores de Nd:vidrio separados por filtros espaciales y otras ópticas para limpiar los haces resultantes. Aunque las técnicas para plegar las líneas de luz se conocían ya en Shiva, no estaban bien desarrolladas en ese momento. Nova terminó con un solo pliegue en su diseño, y la bahía láser que contenía las líneas de luz tenía 300 pies (91 m) de largo. Para el observador casual, parece contener veinte líneas de luz de 91 m (300 pies) de largo, pero debido al pliegue, cada una de las diez tiene en realidad casi 180 m (600 pies) de largo en términos de longitud del camino óptico. [11]
Antes de disparar, los amplificadores de Nd:vidrio se bombean primero con una serie de lámparas de flash de xenón que los rodean. Parte de la luz producida por las lámparas es capturada en el vidrio, lo que provoca una inversión de población que permite la amplificación mediante emisión estimulada . Este proceso es bastante ineficiente y sólo entre el 1 y el 1,5% de la energía alimentada a las lámparas se convierte en energía láser. Para producir el tipo de potencia láser necesaria para Nova, las lámparas tenían que ser muy grandes y alimentarse de un gran banco de condensadores ubicados debajo de la bahía del láser. El flash también genera una gran cantidad de calor que distorsiona el vidrio, lo que requiere tiempo para que las lámparas y el vidrio se enfríen antes de poder disparar nuevamente. Esto limita a Nova a unos seis despidos por día como máximo.
Una vez bombeado y listo para disparar, un pequeño pulso de luz láser se introduce en las líneas de haz. Cada uno de los discos de Nd:vidrio descarga energía adicional en el haz a medida que pasa a través de ellos. Después de pasar por varios amplificadores, el pulso de luz se "limpia" en un filtro espacial antes de pasar a otra serie de amplificadores. En cada etapa se utilizaron ópticas adicionales para aumentar el diámetro del haz y permitir el uso de discos amplificadores cada vez más grandes. En total, Nova contenía quince amplificadores y cinco filtros de tamaño creciente en las líneas de luz, [11] con la opción de añadir un amplificador adicional en la última etapa, aunque no está claro si se utilizaron en la práctica.
Desde allí, los diez haces pasan a la zona de experimentos, situada en un extremo del campo láser. Aquí una serie de espejos refleja los rayos para incidir en el centro de la bahía desde todos los ángulos. Los dispositivos ópticos en algunos de los caminos desaceleran los haces para que todos lleguen al centro al mismo tiempo (en aproximadamente un picosegundo), ya que algunos de los haces tienen caminos más largos hacia el centro que otros. Los multiplicadores de frecuencia convierten la luz a verde y azul (UV) justo antes de ingresar a la "cámara objetivo". Nova está dispuesta de modo que cualquier luz IR o verde restante se enfoque cerca del centro de la cámara. [11]
El láser Nova en su conjunto era capaz de emitir aproximadamente 100 kilojulios de luz infrarroja a 1054 nm, o 40-45 kilojulios de luz de frecuencia triplicada a 351 nm (el tercer armónico de la línea fundamental Nd:Glass a 1054 nm) en un pulso. duración de aproximadamente 2 a 4 nanosegundos y, por lo tanto, era capaz de producir un pulso UV en el rango de 16 billones de vatios. [11]
La investigación en Nova se centró en el enfoque de accionamiento indirecto , en el que la luz láser se enfoca en la superficie interior de una fina lámina metálica, normalmente hecha de oro, plomo u otro metal con alto Z. Cuando se calienta con el láser, el metal vuelve a irradiar esta energía en forma de rayos X difusos , que son más eficientes que los rayos UV para comprimir la pastilla de combustible. Para emitir rayos X, el metal debe calentarse a temperaturas muy altas, lo que consume una cantidad considerable de energía láser. Entonces, si bien la compresión es más eficiente, la energía total entregada al objetivo es mucho menor. El motivo de la conversión de rayos X no es mejorar la entrega de energía, sino "suavizar" el perfil energético; Dado que la lámina metálica distribuye un poco el calor, las anisotropías en el láser original se reducen considerablemente. [11]
Las láminas, o hohlraums , generalmente están formadas como pequeños cilindros con extremos abiertos, con el láser dispuesto para brillar en los extremos abiertos en un ángulo oblicuo para incidir en la superficie interior. Para apoyar la investigación de propulsión indirecta en Nova, se construyó una segunda zona experimental "más allá" de la principal, frente a la bahía del láser. El sistema estaba dispuesto para enfocar los diez rayos en dos conjuntos de cinco cada uno, que pasaban a esta segunda área y luego a cada extremo de la cámara objetivo, y desde allí a los hohlraums. [12]
De manera confusa, el enfoque de impulso indirecto no se hizo público ampliamente hasta 1993. Los documentos de la era Nova publicados en revistas de ciencia general y materiales similares pasan por alto el tema o implican que Nova estaba utilizando el enfoque de impulso directo , careciendo de hohlraums. [13]
Como había sucedido con el anterior Shiva, Nova no cumplió con las expectativas en términos de producción de fusión. El rendimiento máximo de fusión en NOVA fue de aproximadamente 10 13 neutrones por disparo. En este caso, el problema se debió a inestabilidades que provocaron una mezcla turbulenta del combustible durante el colapso y alteraron la formación y transmisión de la onda de choque. El problema fue causado por la incapacidad de Nova para igualar estrechamente la energía de salida de cada una de las líneas de luz, lo que significó que diferentes áreas del pellet recibieron diferentes cantidades de calentamiento en su superficie. Esto provocó puntos calientes en el gránulo que quedaron impresos en el plasma que implosionaba, generando inestabilidades de Rayleigh-Taylor y mezclando así el plasma para que el centro no colapsara uniformemente. [14]
Sin embargo, Nova siguió siendo un instrumento útil incluso en su forma original, y la cámara objetivo principal y las líneas de luz se utilizaron durante muchos años, incluso después de haber sido modificada como se describe a continuación. A lo largo de su vida se intentaron varias técnicas diferentes para suavizar las vigas, tanto para mejorar Nova como para comprender mejor NIF. [15] Estos experimentos contribuyeron considerablemente no sólo a la comprensión del ICF, sino también a la física de alta densidad en general, e incluso a la evolución de las galaxias y las supernovas .
Poco después de completar Nova, se realizaron modificaciones para mejorarlo como dispositivo experimental.
Un problema fue que la cámara experimental tardó mucho en reacondicionarse para otro disparo , más que el tiempo necesario para enfriar los láseres. Para mejorar el aprovechamiento del láser, se construyó una segunda cámara experimental detrás de la original, cuya óptica combinaba las diez líneas de luz en dos. Nova se había construido contra los edificios más antiguos de Shiva, con las dos cámaras experimentales espalda con espalda y las líneas de luz extendiéndose hacia afuera desde las áreas centrales del objetivo. El sistema Two Beam se instaló pasando las guías de haz y la óptica relacionada a través del área experimental de Shiva, ahora no utilizada, y colocando la cámara experimental más pequeña en la bahía de rayos de Shiva. [dieciséis]
El éxito parcial de Nova, combinado con otros números experimentales, llevó al Departamento de Energía a solicitar una instalación ICF militar personalizada a la que llamaron "Instalación de Microfusión de Laboratorio" (LMF) que podría lograr un rendimiento de fusión entre 100 y 1000 MJ. Basándose en los modelos informáticos LASNEX , se estimó que LMF requeriría un controlador de aproximadamente 10 MJ, [10] a pesar de las pruebas nucleares que sugerían una potencia mayor. Construir un dispositivo de este tipo estaba dentro del estado de la técnica, pero sería costoso, del orden de mil millones de dólares. [17] LLNL presentó un diseño con un láser controlador de 5 MJ de 350 nm (UV) que podría alcanzar un rendimiento de aproximadamente 200 MJ, que fue suficiente para alcanzar la mayoría de los objetivos de LMF. Se estimó que el programa costaría alrededor de $600 millones en el año fiscal 1989, y $250 millones adicionales para actualizarlo a 1000 MJ completos si fuera necesario, y crecería a más de $1 mil millones si LMF cumpliera con todos los objetivos solicitados por el DOE. . [17] Otros laboratorios también propusieron sus propios diseños LMF utilizando otras tecnologías.
Frente a este enorme proyecto, en 1989/90 la Academia Nacional de Ciencias llevó a cabo una segunda revisión de los esfuerzos del ICF de EE.UU. en nombre del Congreso de EE.UU. El informe concluyó que "teniendo en cuenta las extrapolaciones requeridas en la física objetivo y el rendimiento del conductor, así como el probable costo de mil millones de dólares, el comité cree que una LMF [es decir, una instalación de microfusión láser con rendimientos de un gigajulio] es un paso demasiado grande para dar directamente del presente programa." Su informe sugirió que el objetivo principal del programa a corto plazo debería ser resolver los diversos problemas relacionados con la ignición, y que no debería intentarse un LMF a gran escala hasta que se resolvieran estos problemas. [18] El informe también criticó los experimentos con láser de gas que se estaban llevando a cabo en LANL y sugirió que ellos y proyectos similares en otros laboratorios se abandonaran. El informe aceptó los números de LASNEX y continuó aprobando un enfoque con energía láser de alrededor de 10 MJ. Sin embargo, los autores eran conscientes de la posibilidad de que se necesitaran mayores requisitos de energía y señalaron: "De hecho, si resultase que se necesitara un controlador de 100 MJ para el encendido y la ganancia, habría que repensar todo el enfoque y la justificación de , CIF." [18]
En julio de 1992, LLNL respondió a estas sugerencias con la mejora Nova , que reutilizaría la mayor parte de las instalaciones Nova existentes, junto con las instalaciones adyacentes de Shiva. El sistema resultante tendría una potencia mucho menor que el concepto LMF, con un controlador de aproximadamente 1 a 2 MJ. [19] El nuevo diseño incluía una serie de características que avanzaban en lo último en tecnología en la sección del controlador, incluido el diseño de paso múltiple en los amplificadores principales y 18 líneas de luz (en comparación con 10) que se dividieron en 288 "haces". a medida que ingresaban al área objetivo para mejorar la uniformidad de la iluminación. Los planes requerían la instalación de dos bancos principales de líneas de rayos láser, uno en la sala de líneas de rayos Nova existente y el otro en el edificio más antiguo de Shiva al lado, extendiéndose a través de su bahía láser y el área objetivo hasta un área objetivo Nova mejorada. [20] Los láseres entregarían alrededor de 500 TW en un pulso de 4 ns. Se esperaba que las mejoras permitieran al nuevo Nova producir rendimientos de fusión de entre 2 y 20 MJ [17] Las estimaciones iniciales de 1992 estimaban que los costos de construcción rondaban los 400 millones de dólares, y que la construcción se llevaría a cabo entre 1995 y 1999.
Por razones que no están bien registradas en el registro histórico, más tarde en 1992 LLNL actualizó su propuesta de Actualización Nova y declaró que los edificios Nova/Shiva existentes ya no podrían contener el nuevo sistema, y que un nuevo edificio aproximadamente tres veces más Se necesitaría grande. [21] A partir de entonces, los planes evolucionaron hasta convertirse en la actual Instalación Nacional de Ignición .
A finales de la década de 1980 se desarrolló un nuevo método para crear pulsos láser muy cortos pero de muy alta potencia, conocido como amplificación de pulso chirriado o CPA. A partir de 1992, el personal de LLNL modificó uno de los brazos existentes de Nova para construir un láser CPA experimental que producía hasta 1,25 PW. Conocida simplemente como Petawatt , funcionó hasta 1999 cuando Nova fue desmantelada para dar paso al NIF. [22] [23]
El sistema de amplificación básico utilizado en Nova y otros láseres de alta potencia de su época estaba limitado en términos de densidad de potencia y longitud de pulso. Un problema era que el cristal del amplificador respondía durante un período de tiempo, no instantáneamente, y los pulsos muy cortos no se amplificaban fuertemente. Otro problema fue que las altas densidades de potencia condujeron a los mismos tipos de problemas de autoenfoque que habían causado problemas en diseños anteriores, pero a tal magnitud que incluso medidas como el filtrado espacial no serían suficientes; de hecho, las densidades de potencia eran lo suficientemente altas. para hacer que se formen filamentos en el aire.
CPA evita ambos problemas al distribuir el pulso del láser en el tiempo. Lo hace reflejando un pulso relativamente multicromático (en comparación con la mayoría de los láseres) de una serie de dos rejillas de difracción , que las divide espacialmente en diferentes frecuencias, esencialmente lo mismo que hace un simple prisma con la luz visible. Estas frecuencias individuales tienen que viajar distancias diferentes cuando se reflejan en la línea de luz, lo que hace que el pulso se "estire" en el tiempo. Este pulso más largo se alimenta normalmente a los amplificadores, que ahora tienen tiempo de responder normalmente. Después de la amplificación, los haces se envían a un segundo par de rejillas "al revés" para recombinarlos en un único pulso corto de alta potencia. Para evitar la filamentación o daños a los elementos ópticos, todo el extremo de la línea de luz se coloca en una gran cámara de vacío .
Aunque Petawatt jugó un papel decisivo en el avance de la base práctica para el concepto de fusión de ignición rápida , cuando estuvo operativo como dispositivo de prueba de concepto, ya se había tomado la decisión de seguir adelante con NIF. Se continúa trabajando en el enfoque de encendido rápido, y potencialmente alcanzará un nivel de desarrollo muy por delante del NIF en HiPER , un sistema experimental en desarrollo en la Unión Europea.
Cuando Nova estaba siendo desmantelada para dar paso al NIF, la cámara objetivo fue prestada a Francia para uso temporal durante el desarrollo de Laser Megajoule , un sistema similar al NIF en muchos aspectos. Este préstamo fue controvertido, ya que el único otro láser operativo en LLNL en ese momento, Beamlet (una única línea de luz experimental para NIF), había sido enviado recientemente al Laboratorio Nacional Sandia en Nuevo México. Esto dejó a LLNL sin una gran instalación láser hasta que NIF comenzó a funcionar, lo que se estimó entonces como muy pronto en 2003. Los trabajos en el NIF no se declararon formalmente terminados hasta el 31 de marzo de 2009. [24]
