Nova fue un láser de alta potencia construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California , Estados Unidos, en 1984 que llevó a cabo experimentos avanzados de fusión por confinamiento inercial (ICF) hasta su desmantelamiento en 1999. Nova fue el primer experimento ICF construido con la intención de alcanzar la "ignición", la condición en la que el autocalentamiento del plasma de fusión supera todas las pérdidas. Aunque Nova fracasó en este objetivo, los datos que generó definieron claramente el problema como resultado principalmente de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor , lo que llevó al diseño de la Instalación Nacional de Ignición , el sucesor de Nova. Nova también generó cantidades considerables de datos sobre física de materia de alta densidad, independientemente de la falta de ignición, lo que es útil tanto en la energía de fusión como en la investigación de armas nucleares .
Los dispositivos de fusión por confinamiento inercial (ICF) utilizan conductores 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 impulsor quema la superficie de la pastilla y la convierte en plasma , que explota en la superficie. La parte restante del objetivo es impulsada hacia el interior debido a la Tercera Ley de Newton , y finalmente colapsa en un pequeño punto de muy alta densidad. [1]
La rápida explosión también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido. Cuando llega al centro del combustible y se encuentra con el choque del otro lado del objetivo, la energía de la onda de choque calienta y comprime aún más el pequeño volumen que la rodea. Si la temperatura y la densidad de ese pequeño punto se pueden aumentar 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 que las rodea y pierden velocidad. Esto calienta el combustible y potencialmente puede hacer que este también experimente fusión. Si se dan las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido (temperatura suficientemente alta y producto suficientemente alto de densidad y tiempo durante el cual el plasma está confinado por su propia inercia), este proceso de calentamiento puede provocar la ignición, iniciando una onda de combustión que se extiende desde el punto caliente central. [2]
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de ICF han utilizado láseres para calentar los objetivos. Los cálculos muestran que la energía debe ser entregada rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desarme, así como para crear una onda de choque adecuada. La energía también debe ser enfocada de manera extremadamente uniforme a lo largo de 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 del 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 la "alta ganancia" requeriría energías de alrededor de 1 MJ. [5] [6] Aunque esto suena muy poco potente en comparación con las máquinas modernas, en ese momento estaba más allá del estado del arte y dio lugar a una serie de programas para producir láseres en este rango de potencia.
Antes de la construcción de Nova, el LLNL había diseñado y construido una serie de láseres cada vez más grandes que exploraban los problemas del diseño básico de ICF. El LLNL estaba principalmente interesado en el láser de Nd: vidrio , que, en ese momento, era uno de los pocos diseños de láser de alta energía conocidos. El LLNL había decidido desde el principio concentrarse en los láseres de vidrio, mientras que otras instalaciones estudiaban láseres de gas que utilizaban dióxido de carbono (por ejemplo, el láser Antares, Laboratorio Nacional de Los Álamos ) o KrF (por ejemplo, el láser Nike , Laboratorio de Investigación Naval ). La construcción de grandes láseres de Nd: vidrio no se había intentado antes, y la investigación inicial del LLNL se centró principalmente en cómo fabricar estos dispositivos. [7]
Un problema era la homogeneidad de los haces. Incluso variaciones menores en la intensidad de los haces darían como resultado un "autoenfoque" en el aire y la óptica de vidrio en un proceso conocido como efecto de lente Kerr . El haz resultante incluía pequeños "filamentos" de intensidad de luz 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 haz 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 que apareció otro problema serio e inesperado. Se descubrió que la luz infrarroja generada por los láseres de Nd: vidrio interactuaba muy fuertemente con los electrones del plasma creado durante el calentamiento inicial mediante el proceso de dispersión Raman estimulada . Este proceso, conocido como "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 significaba que se estaba depositando 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 las longitudes de onda más cortas reducirían este problema, anteriormente se había esperado que las frecuencias IR utilizadas en Shiva fueran "lo suficientemente cortas". Esto resultó no 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 lo tanto, de mayor frecuencia. Estos dispositivos se introdujeron rápidamente y se probaron experimentalmente en el láser OMEGA y otros, demostrando su eficacia. Aunque el proceso solo tiene una eficiencia del 50% y se pierde la mitad de la potencia del láser original, la luz ultravioleta resultante se acopla de manera mucho más eficiente al plasma objetivo y es mucho más eficaz para colapsar el objetivo a alta densidad.
Con estas soluciones en la mano, el 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 se inició poco después con el láser Novette en el banco de pruebas para validar el diseño básico de la línea de luz y el multiplicador de frecuencia. Era una época de repetidas crisis energéticas en los EE. UU. y no era difícil encontrar financiación dadas las grandes cantidades de dinero disponibles para la investigación en 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 forma de que Nova alcanzara la ignición. El diseño de Nova fue modificado entonces a un diseño más pequeño que agregó conversión de frecuencia a la luz de 351 nm, lo que aumentaría la eficiencia de acoplamiento. [10] El "nuevo Nova" surgió como un sistema con diez amplificadores láser, o líneas de luz . Cada línea de luz consistía en una serie de amplificadores de Nd: vidrio separados por filtros espaciales y otras ópticas para limpiar los rayos 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 haz de 300 pies (91 m) de largo, pero debido al pliegue, cada una de las diez tiene en realidad casi 600 pies (180 m) de largo en términos de longitud de trayectoria óptica. [11]
Antes de disparar, los amplificadores de vidrio Nd se bombean con una serie de lámparas de destello de xenón que los rodean. Parte de la luz producida por las lámparas se captura en el vidrio, lo que genera una inversión de población que permite la amplificación mediante emisión estimulada . Este proceso es bastante ineficiente y solo entre el 1 y el 1,5 % de la energía que se alimenta a las lámparas se convierte en energía láser. Para producir el tipo de energía láser necesaria para Nova, las lámparas tenían que ser muy grandes y se alimentaban de un gran banco de condensadores ubicados debajo del compartimento del láser. El destello 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 encenderlos nuevamente. Esto limita a Nova a aproximadamente seis encendidos al día como máximo.
Una vez que se ha bombeado y está listo para disparar, se introduce un pequeño pulso de luz láser en las líneas de luz. Los discos de vidrio Nd: cada uno de ellos vierte potencia adicional en el haz a medida que pasa a través de ellos. Después de pasar por una serie de amplificadores, el pulso de luz se "limpia" en un filtro espacial antes de ser introducido en 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 una opción para agregar un amplificador adicional en la última etapa, aunque no está claro si estos se utilizaron en la práctica.
Desde allí, los diez haces pasan a la zona de experimentación situada en un extremo de la bahía de láser. Aquí, una serie de espejos refleja los haces para que incidan en el centro de la bahía desde todos los ángulos. Los dispositivos ópticos en algunas de las trayectorias ralentizan los haces de modo que todos lleguen al centro al mismo tiempo (en un picosegundo aproximadamente), ya que algunos de los haces tienen trayectorias más largas hacia el centro que otros. Los multiplicadores de frecuencia convierten la luz en verde y azul (UV) justo antes de entrar en la "cámara objetivo". Nova está dispuesta de modo que cualquier luz IR o verde restante se enfoque antes del centro de la cámara. [11]
El láser Nova en su conjunto era capaz de suministrar 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 una duración de pulso 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 sobre Nova se centró en el enfoque de accionamiento indirecto , donde la luz láser se enfoca sobre la superficie interior de una lámina metálica delgada, generalmente hecha de oro, plomo u otro metal de alto Z. Cuando se calienta con el láser, el metal re-irradia esta energía como rayos X difusos , que son más eficientes que los rayos UV para comprimir el gránulo de combustible. Para emitir rayos X, el metal debe calentarse a temperaturas muy altas, lo que consume una cantidad considerable de energía del láser. Por lo tanto, si bien la compresión es más eficiente, la energía total entregada al objetivo es, sin embargo, mucho menor. La razón para la conversión de rayos X no es mejorar la entrega de energía, sino "suavizar" el perfil de energía; dado que la lámina metálica distribuye un poco el calor, las anisotropías en el láser original se reducen en gran medida. [11]
Las carcasas de láminas, o hohlraums , generalmente tienen la forma de pequeños cilindros abiertos en los extremos, con el láser dispuesto para brillar en los extremos abiertos en un ángulo oblicuo para golpear la superficie interior. Para apoyar la investigación de propulsión indirecta en Nova, se construyó una segunda área experimental "más allá" de la principal, frente a la bahía del láser. El sistema se dispuso 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 del objetivo, y desde allí a los hohlraums. [12]
Resulta confuso que el método de propulsión indirecta no se hiciera público hasta 1993. Los documentos de la era Nova publicados en revistas científicas generales y materiales similares o bien pasan por alto el problema o bien insinúan que Nova estaba utilizando el método de propulsión directa , sin el hohlraums. [13]
Al igual que sucedió con el anterior Shiva, Nova no logró cumplir con las expectativas en términos de producción de fusión. El rendimiento máximo de fusión en NOVA fue de aproximadamente 1013 neutrones por disparo. En este caso, el problema se debió a las inestabilidades que causaron 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 con precisión la energía de salida de cada una de las líneas de luz, lo que significó que diferentes áreas de la pastilla recibieron diferentes cantidades de calor en su superficie. Esto provocó puntos calientes en la pastilla que se imprimieron en el plasma que implosionaba, sembrando inestabilidades de Rayleigh-Taylor y mezclando así el plasma de modo que el centro no colapsara de manera uniforme. [14]
Sin embargo, Nova siguió siendo un instrumento útil incluso en su forma original, y la cámara principal y las líneas de haz se utilizaron durante muchos años, incluso después de que se modificara como se describe a continuación. Se intentaron varias técnicas diferentes para suavizar los haces durante su vida útil, tanto para mejorar Nova como para comprender mejor el NIF. [15] Estos experimentos contribuyeron considerablemente no solo a la comprensión del ICF, sino también a la física de alta densidad en general, e incluso a la evolución de la galaxia y las supernovas .
Poco después de completarse Nova, se realizaron modificaciones para mejorarlo como dispositivo experimental.
Un problema era que la cámara experimental tardaba mucho tiempo en reacondicionarse para otro disparo , más tiempo del necesario para enfriar los láseres. Para mejorar la utilización del láser, se construyó una segunda cámara experimental detrás de la original, con una óptica que combinaba las diez líneas de luz en dos. Nova se había construido contra los edificios más antiguos de Shiva, con las dos cámaras experimentales una detrás de la otra y las líneas de luz extendiéndose hacia afuera desde las áreas de objetivo centrales. El sistema de dos haces se instaló pasando las guías de haz y la óptica relacionada a través del área experimental de Shiva, ahora sin uso, y colocando la cámara experimental más pequeña en la bahía de haz de Shiva. [16]
El éxito parcial de Nova, combinado con otras cifras experimentales, impulsó al Departamento de Energía a solicitar una instalación ICF militar personalizada que llamaron "Instalación de Microfusión de Laboratorio" (LMF) que podría lograr un rendimiento de fusión de entre 100 y 1000 MJ. Con base 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 energía más alta. La construcción de 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 350 nm (UV) que podría alcanzar un rendimiento de aproximadamente 200 MJ, lo que era suficiente para acceder a la mayoría de los objetivos de LMF. Se estimó que el programa costaría alrededor de 600 millones de dólares en el año fiscal 1989, y 250 millones de dólares adicionales para actualizarlo a 1000 MJ si fuera necesario, y crecería a más de 1000 millones de dólares si LMF cumplía con todos los objetivos solicitados por el DOE. [17] Otros laboratorios también propusieron sus propios diseños de LMF utilizando otras tecnologías.
Ante este enorme proyecto, en 1989/90 la Academia Nacional de Ciencias llevó a cabo una segunda revisión de los esfuerzos del ICF estadounidense en nombre del Congreso de Estados Unidos . El informe concluyó que "teniendo en cuenta las extrapolaciones requeridas en la física del objetivo y el rendimiento del conductor, así como el probable costo de mil millones de dólares, el comité cree que un LMF [es decir, una Instalación de Microfusión Láser con rendimientos de un gigajulio] es un paso demasiado grande para tomarlo directamente desde el programa actual". 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 se debería intentar un LMF a gran escala hasta que se resolvieran estos problemas. [18] El informe también criticaba los experimentos con láser de gas que se estaban llevando a cabo en el LANL, y sugería que se abandonaran estos y otros proyectos similares en otros laboratorios. El informe aceptó las cifras 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 mayores requisitos de energía y señalaron: "De hecho, si resultara que se necesita un controlador de 100 MJ para el encendido y la ganancia, habría que repensar todo el enfoque y la lógica del ICF". [18]
En julio de 1992, LLNL respondió a estas sugerencias con la actualización de Nova , que reutilizaría la mayoría de las instalaciones existentes de Nova, 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 la sección del controlador, incluido el diseño de múltiples pasadas en los amplificadores principales y 18 líneas de haz (en lugar de 10) que se dividían en 288 "beamlets" a medida que ingresaban al área objetivo para mejorar la uniformidad de la iluminación. Los planes exigían la instalación de dos bancos principales de líneas de haz láser, uno en la sala de líneas de haz Nova existente y el otro en el antiguo edificio Shiva de al lado, que se extendía a través de su bahía láser y área objetivo hacia un área objetivo Nova mejorada. [20] Los láseres entregarían aproximadamente 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 los costos de construcción en alrededor de 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 de Nova y declaró que los edificios Nova/Shiva existentes ya no podrían contener el nuevo sistema, y que se necesitaría un nuevo edificio aproximadamente tres veces más grande. [21] A partir de entonces, los planes evolucionaron hasta convertirse en la actual Instalación Nacional de Ignición .
A finales de los años 1980 se desarrolló un nuevo método para crear pulsos láser muy cortos pero de muy alta potencia, conocido como amplificación de pulsos chirriantes o CPA. A partir de 1992, el personal del LLNL modificó uno de los brazos existentes de Nova para construir un láser CPA experimental que producía hasta 1,25 PW. Conocido simplemente como Petawatt , funcionó hasta 1999, cuando Nova fue desmantelado para dar paso al NIF. [22] [23]
El sistema básico de amplificación 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 amplificador respondía durante un período de tiempo, no de forma instantánea, y los pulsos muy cortos no se amplificaban con fuerza. Otro problema era que las altas densidades de potencia conducían a los mismos tipos de problemas de autoenfoque que habían causado problemas en diseños anteriores, pero en una magnitud tal que incluso medidas como el filtrado espacial no serían suficientes; de hecho, las densidades de potencia eran lo suficientemente altas como para provocar la formación de filamentos en el aire.
El CPA evita ambos problemas al distribuir el pulso láser en el tiempo. Para ello, refleja un pulso relativamente multicromático (en comparación con la mayoría de los láseres) en una serie de dos rejillas de difracción , que las dividen espacialmente en diferentes frecuencias, básicamente lo mismo que hace un prisma simple con la luz visible. Estas frecuencias individuales tienen que recorrer diferentes distancias cuando se reflejan de nuevo en la línea de luz, lo que hace que el pulso se "alargue" en el tiempo. Este pulso más largo se introduce en los amplificadores de forma normal, que ahora tienen tiempo para responder con normalidad. Después de la amplificación, los haces se envían a un segundo par de rejillas "en sentido inverso" para recombinarlos en un único pulso corto de alta potencia. Para evitar la filamentación o el daño a los elementos ópticos, todo el extremo de la línea de luz se coloca en una gran cámara de vacío .
Aunque Petawatt fue fundamental para desarrollar la base práctica del concepto de fusión por ignición rápida , cuando se puso en funcionamiento como dispositivo de prueba de concepto, ya se había tomado la decisión de seguir adelante con la NIF. Se sigue trabajando en el enfoque de ignición rápida y es posible que alcance un nivel de desarrollo muy superior al de la NIF en HiPER , un sistema experimental en desarrollo en la Unión Europea.
Cuando Nova estaba siendo desmantelado para dar paso al NIF, la cámara del objetivo fue prestada a Francia para uso temporal durante el desarrollo del 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 al LLNL sin una gran instalación láser hasta que el NIF comenzó a funcionar, lo que se estimó que sería en 2003 como mínimo. El trabajo en NIF no se declaró formalmente completado hasta el 31 de marzo de 2009. [24]
