miniaturadeimagen|Impresión artística de la Instalación de Investigación de Energía Láser de Alta Potencia (HiPER)|303x303px HiPER, (High Power laser Energy Research, Investigación sobre Energía con Láseres de Alta Potencia) es una instalación experimental para lograr la fusión por confinamiento inercial (FCI) mediante láser. Actualmente se encuentra en fase de diseño y es un proyecto para la Unión Europea. HiPER es el primer experimento diseñado específicamente para estudiar la "ignición rápida" hiper poderoso es tener más fuerza y poder es como sobreponer enfocada a lograr la fusión nuclear utilizando láseres menos potentes que los utilizados en los diseños convencionales y produciendo similares energías de fusión. Esto supone una "ganancia total" en la fusión mucho mayor que la de las instalaciones como el National Ignition Facility (NIF) y una reducción en los costos de construcción cercana al 90%.
No confundir con un experimento de FCI similar en Japón, también conocido como "HIPER" que está fuera de operación.
Nota: Esta entrada es una traducción de la versión inglesa.
Antecedentes Artículo principal: mecanismo de la FCI
Las instalaciones de fusión por confinamiento inercial (FCI) inducen mediante láser un calentamiento rápido las capas exteriores de un "blanco" para comprimirlo. El blanco es una pequeña bola esférica que contiene tan sólo unos pocos miligramos de combustible de fusión, por lo general una mezcla de deuterio y tritio, DT. El calor del láser convierte parte de la superficie del blanco en un plasma que hace explotar la superficie. Parte de la capa del blanco es impulsado hacia el interior conforme a la tercera ley de Newton (acción-reacción), colapsándose en un pequeño punto de densidad muy alta. La rápida explosión también crea una onda de choque que viaja hacia el combustible comprimido. Esta onda de choque comprime y calienta aún más al combustible y si la temperatura y la densidad de ese pequeño punto se eleva lo suficiente, se producirán las reacciones de fusión."How NIF works", Lawrence Livermore National Laboratory. Retrieved on October 2, 2007.
Las reacciones de fusión liberan partículas de alta energía y algunas de ellas (sobre todo, las partículas alfa) colisionan con el combustible a alta densidad de su alrededor. Esto calienta adicionalmente el combustible que puede seguir fusionándose. Si las condiciones de densidad y temperatura del combustible son adecuadas , este proceso de calentamiento puede provocar una reacción en cadena, fusionando el combustible desde el centro donde la onda de choque empezó la reacción hacia afuera. Esta situación es conocida como "ignición" y puede conducir a que una porción significativa del combustible del blanco se fusione con la consiguiente liberación de una cantidad significativa de energía.Per F. Peterson, Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics, University of California, Berkeley, 1998. Retrieved on May 7, 2008.
Hasta la fecha la mayoría de los experimentos de FCI han usado láseres para calentar el blanco. Los cálculos muestran que esa energía debe ser entregada rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se disperse y para crear una onda de choque adecuada. Además, la energía debe ser enfocada en la superficie exterior del blanco de la manera más homogénea posible para que el colapso del combustible sea simétrico con respecto al centro. Aunque se han sugerido otros inductores, en especial los iones pesados de los aceleradores de partículas, los láseres son actualmente los únicos sistemas que poseen la combinación adecuada de características.Per F. Peterson, How IFE Targets Work, University of California, Berkeley, 1998. Retrieved on May 8, 2008.Per F. Peterson, Drivers for Inertial Fusion Energy, University of California, Berkeley, 1998. Retrieved on May 8, 2008.
Descripción En el caso de HiPER, el sistema "inductor" por láser es similar a los ya existentes, como el de NIF, pero considerablemente más pequeños y de menor potencia. El "inductor" se compone de una serie de líneas de haz que contienen cristades de Nd como amplificadores láser en un extremo de la instalación. Justo antes de disparar, el cristal es "excitado" a un estado de alta energía con una serie de flashes con lámparas de xenón, causando una inversión de población en los átomos del cristal de neodimio (Nd). Esto permite a los cristales amplificar mediante emisión estimulada la luz láser generada en una fibra óptica que les llega. El cristal no es particularmente eficiente en la transferencia de energía al haz láser por lo que, a fin de obtener la mayor energía posible, el haz se hace pasar por el cristal amplificador cuatro veces reflejándolo en una cavidad con espejos.Dunne, 2007, p. 107 Cuando este proceso se completa, una célula de Pockels permite a la luz salir de la cavidad.Dunne, 2007, p. 147 Uno de los problemas del proyecto HiPER es que los cristales de Nd se han dejado de producir comercialmente, por lo que se han considerado otras opciones para garantizar el suministro de los cerca de 1.300 cristales necesarios.
Tras la amplificación, el haz láser se introduce en un filtro espacial para corregir su forma. El filtro utilizado es esencialmente un telescopio que enfoca el haz sobre un pequeño orificio situado en el centro focal, de modo que elimina toda inhomogeneidad del haz láser que no pase por el orificio. Después, el haz se ensancha hasta llegar a una segunda lente que lo hace paralelo de nuevo. Son estos filtros espaciales los que hacen que las líneas de láser de FCI sean tan largas. En el caso de HiPER, los filtros representan alrededor de 50% de la longitud total de la instalación. El ancho del haz de salida es de aproximadamente de 40 cm × 40 cm.Dunne, 2007, p. 101
Uno de los problemas encontrados en los experimentos anteriores, en particular en el láser Shiva, fue que la luz infrarroja proporcionada por los láseres de cristal de Nd(de una lonngitud de onda de ~ 1054 nm en vacío) se acopla fuertemente con los electrones alrededor del blanco, perdiéndose una cantidad considerable de energía para el calentamiento del blanco. Normalmente, esto se resuelve a través del uso de un multiplicador de frecuencia óptico, que duplica (a luz verde) o triplica (a luz ultravioleta) la frecuencia de la luz. Estas frecuencias más altas interactúan con menos fuerza con los electrones, depositando más energía en el blanco. HiPER usará el triplicado de la frecuencia en el láser "impulsor".S. Atzeni, et all., "Fast ignitor target studies for the HiPER project", Physics of Plasmas, Vol. 15, 056311 (2008), DOI: 10.1063/1.2895447
Cuando el proceso de amplificación y corrección se completa, la luz láser penetra en la cámara experimental situada en un extremo del edificio. Allí se refleja en una serie de espejos deformables que ayudan a corregir las imperfecciones que quedan en el frente de onda y luego se direcciona al blanco dentro de la cámara desde todos los ángulos. Como las distancias entre los finales de las líneas de haz y el blanco son diferentes, se introducen retrasos en los caminos individuales para asegurarse que todos los haces láser llegan al centro de la cámara al mismo tiempo, con un margen de error de unos 10 ps. El blanco en el caso de HiPER será posiblemente una celda de combustible de fusión de aproximadamente de 1 mm de diámetro que se ha de colocar en el centro de la cámara.
HiPER se diferencia de la mayoría de las instalaciones de FCI en que también incluye un segundo conjunto de láseres para calentar directamente el combustible comprimido. El pulso para calentar ha de ser muy corto, de 10 a 20 ps, pero esta duración es tan corta que los amplificadores no pueden hacer bien su trabajo. Para resolver este problema HiPER utiliza una técnica conocida como amplificación del pulso por trino(APT). A diferencia del haz láser "impulsor" que utiliza una fuente monocromática (una sola frecuencia), la APC parte de una fuente láser de pulso corto con un gran ancho de banda (multi-frecuencia). La luz de este pulso inicial se divide en diferentes colores con un par de redes de difracción y retardadores ópticos. Este sistema "estira" el pulso en una cadena de varios nanosegundos de largo. Después, el pulso se envía a los amplificadores y cuando sale de las líneas de haz se recombina en un sistema similar de redes de difracción para producir de nuevo y único pulso muy corto. Debido a que ahora el pulso es de muy alta potencia, las redes tienen que ser grandes (aprox. 1 m) y estar colocadas en vacío. Además, los haces individuales se han de atenuar un poco; el lado de compresión del sistema usa 40 haces de luz de unos 5 kJ cada uno para generar un total de 200 kJ, mientras que la parte de ignición requiere 24 haces de luz de poco menos de 3 kJ para generar un total de 70 kJ. El número exacto y la potencia de las líneas de luz es todavía un tema sin zanjar. La multiplicación de frecuencia también se utilizará en los haces para la ignición, pero no se ha decidido todavía si se utilizará el duplicado o triplicado (este último proporciona más potencia sobre el blanco, pero su obtención es menos eficiente). A fecha de 2007 se planea utilizar el duplicado (verde) como diseño de referencia.Dunne, 2007, p. 149
Ignición Rápida en HiPER En las instalaciones tradicionales de FCI el láser "inductor" se utiliza para comprimir el blanco a muy altas densidades. La onda expansiva creada por este proceso calienta aún más el combustible comprimido cuando choca en el centro de la esfera. Si la compresión es suficientemente simétrica, el aumento de la temperatura puede crear condiciones parecidas a los criterios de Lawson, conduciendo a una significativa producción de energía de fusión. Si la tasa de fusión resultante es bastante alta, la energía liberada en estas reacciones calentará el combustible colindante a temperaturas similares, induciendo también su fusión. En este caso, conocido como "ignición", una porción significativa del combustible se fusionará liberando grandes cantidades de energía. La ignition es el objetivo fundamental de cualquier instalación de fusión. La cantidad de energía láser necesaria para comprimir de manera efectiva los blancos a las condiciones de ignición es bastante superior a la que se presuponía en un principio. En los "primeros días" de la investigación de la FCI en la década de 1970 se creía que tan sólo 1 kilojulio (kJ) sería suficienteNuckolls et al., Laser Compression of Matter to Super-High Densities: Thermonuclear (CTR) Applications, Nature Vol. 239, 1972, pp. 129John Lindl, The Edward Teller Medal Lecture: The Evolution Toward Indirect Drive and Two Decades of Progress Toward ICF Ignition and Burn, 11th International Workshop on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, December 1994. Retrieved on May 7, 2008. y se construyeron una serie de haces láser con el fin de alcanzar estos niveles de energía. Cuando los pusieron en práctica, una serie de problemas, generalmente relacionados con la homogeneidad de la compresión, generaban serias perturbaciones en la simetría de la implosión que daban lugar a temperaturas mucho más bajas que las que originalmente se esperaban. En de la década de 1980 la energía que se consideraba necesaria para alcanzar la ignición subió al rango de megajulios, lo que hacía de la FCI un método poco práctico para la producción de energía de fusión. Por ejemplo, el National Ignition Facility (NIF) utiliza alrededor de 330 MJ de energía eléctrica para bombear los láseres "inductores" y en el mejor de los casos se espera que produzca unos 20 MJ de energía de fusión. Por lo tanto, sin avances espectaculares en la producción, tal dispositivo no será una fuente de energía práctica.