Nova (làser)

Vista de la baïa làser de Nova entre dos bancs de llínees de llum. Les caixes blaves contenen els amplificadors i els seus "bombes" de tubo de flash, els tubos entre els bancs d'amplificadors són els filtres espacials.

Nova va ser un làser d'alta potència construït en el Laboratori Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en Califòrnia, Estats Units, en 1984 que va portar a terme experiments alvançats de fusió per confinament inercial (ICF) fins al seu desmantellament en 1999. Nova va ser el primer experiment ICF construït en l'intenció d'aplegar a la "ignició", una reacció en cadena de fusió nuclear que llibera una gran cantitat d'energia. Encara que Nova va fracassar en este objectiu, les senyes que va generar varen definir clarament que el problema es devia sobretot a l'inestabilitat Rayleigh-Taylor, lo que va conduir al disseny de l'Instalació Nacional d'Ignició, successora de Nova. Nova també va generar cantitats considerables de senyes sobre la física de la matèria d'alta densitat, independentment de la falta d'ignició, que són útils tant en l'investigació de les armes nuclears com en la de l'energia de fusió.

Antecedents

Els dispositius de fusió per confinament inercial (ICF, per les seues sigles en anglés) utilisen impulsors per a calfar ràpidament les capes externes d'un blanc en la finalitat de comprimir-ho. El blanc és una chicoteta pastilla esfèrica que conté uns miligrams de combustible de fusió, normalment una mescla de deuteri i triti. La calor del làser de conducció crema la superfície de la pastilla fins a convertir-la en plasma, que explota fòra de la superfície. La partix restant del blanc és impulsada cap a l'interior per la Tercera Llei de Newton, colapsant finalment en un chicotet punt de molt alta densitat.

La ràpida expulsió també crea una ona de choc que viaja cap al centre del combustible comprimit. Quan aplega al centre del combustible i es troba en el choc procedent de l'atre costat del blanc, l'energia de l'ona de choc calfa i comprimix encara més el chicotet volum al seu entorn. Si la temperatura i la densitat d'eixe chicotet punt poden elevar-se lo suficient, es produiran reaccions de fusió en una chicoteta porció del combustible

Les reaccions de fusió lliberen partícules d'alta energia, algunes de les quals (principalment partícules alfa) choquen en el combustible d'alta densitat que queda a la seua entorn i es ralentisen. Açò calfa el combustible i pot provocar la seua fusió. Si les condicions generals del combustible comprimit són les adequades (densitat i temperatura suficients), este procés de calfament pot donar lloc a una reacció en cadena que creme el combustible des del centre a on l'ona de choc inició la reacció. Es tracta d'una condició coneguda com a ignició, que pot provocar la fusió d'una part significativa del combustible del blanc i la lliberació de grans cantitats d'energia.

Fins a la data, la majoria dels experiments de ICF han utilisat làsers per a calfar els objectius. Els càlculs mostren que l'energia deu suministrar-se ràpidament per a comprimir el núcleu ans que es desintegre i crear una ona de choc adequada. L'energia també deu concentrar-se de forma extremadament uniforme en la superfície exterior de l'objectiu per a colapsar el combustible en un núcleu simètric. Encara que s'han sugerit atres "impulsors", sobretot ions pesats impulsats en acceleradors de partícules, els làsers són actualment els únics dispositius en la combinació adequada de característiques

Història

L'història de LLNL en el programa ICF comença en el físic John Nuckolls, qui va predir en 1972 que l'ignició podria conseguir-se en energies làser d'al voltant d'1 kJ, mentres que la "alt guany" requeriria energies entorn a 1 MJ. Encara que semble una energia molt baixa en comparació a les màquines modernes, en aquell moment estava just per damunt del estat de la tècnica, i va donar lloc a una série de programes per a produir làsers en este ranc de potència.

Abans de la construcció de Nova, el LLNL havia dissenyat i construït una série de làsers cada volta majors que exploraven els problemes del disseny bàsic de el ICF. El LLNL estava interessat principalment en el làser de Nd:vidre, que, en aquell moment, era un dels pocs dissenys de làser d'alta energia coneguts. El LLNL havia decidit des del principi concentrar-se en els làsers de vidre, mentres que atres instalacions estudiaven làsers de gas que utilisaven diòxit de carbono (per eixemple, el làser Antares, Laboratori Nacional dels Àlbers ) o KrF (p. eix. Làser Nike, Laboratori d'Investigacions Navals). Fins a llavors no s'havia intentat construir grans làsers de Nd:vidre, i les primeres investigacions de el LLNL es varen centrar principalment en cóm fabricar estos dispositius.

Un dels problemes era l'homogeneïtat dels fas. Inclús chicotetes variacions en l'intensitat dels fas provocaven un "autoenfoque" en l'aire i l'òptica de cristal en un procés conegut com lent de Kerr. El fes resultant incloïa menuts "filaments" d'altíssima intensitat lluminosa, tan alta que danyaria l'òptica de cristal del dispositiu. Este problema es va resoldre en el làser Cyclops en l'introducció de la tècnica de filtrat espacial. A Cyclops li va seguir el làser Argus, de major potència, que va explorar els problemes de controlar més d'un fes i allumenar un objectiu de forma més uniforme. Tot este treball va culminar en el làser Shiva, un disseny de prova de concepte per a un sistema d'alta potència que incloïa 20 "amplificadors làser" independents que es dirigien al voltant de l'objectiu per a allumenar-ho.

Va ser durant els experiments en Shiva quan va aparéixer un atre greu problema inesperat. Es va descobrir que la llum infrarroja generada pels làsers Nd:vidre interactuava fortament en els electrons del plasma creat durant el calfament inicial a través del procés de dispersió Raman estimulada. Este procés, denominat "precalentamiento d'electrons calents", va absorbir gran part de l'energia del làser i va provocar el calfament del núcleu del blanc ans que alcançara la seua màxima compressió. Açò significava que es depositava molta menys energia en el centre del colapse, tant per la reducció de l'energia d'implosió com per la força cap a l'exterior del núcleu calfat. Encara que se sabia que les llongituts d'ona més curtes reduirien este problema, abans s'esperava que les freqüències IR utilisades en Shiva anaren "suficientment curtes". Pero no va anar aixina.

Es va buscar una solució a este problema en forma de multiplicadors de freqüència eficaces, dispositius òptics que combinen varis fotons en un de major energia i, per tant, freqüència. Estos dispositius es varen introduir ràpidament i es varen provar experimentalment en el làser OMEGA i uns atres, demostrant la seua eficàcia. Encara que el procés només és eficaç en un 50% aproximadament i es pert la mitat de la potència original del làser, la llum ultravioleta resultant s'acopla de forma molt més eficaç al plasma objectiu i és molt més efectiva per a colapsar l'objectiu fins a una alta densitat.

En estes solucions en la mà, el LLNL va decidir construir un dispositiu en la potència necessària per a produir les condicions d'ignició. El disseny va començar a finals de la década de 1970, i la construcció va seguir poc despuix, escomençant pel làser Novette de banc de proves per a validar el disseny bàsic de la llínea de llum i el multiplicador de freqüència. Era una época de repetides crisis energètiques en EE. UU. i no era difícil trobar finançació donades les grans cantitats de diners disponibles per a l'investigació d'energies alternatives i armes nuclears.