Nova (láser)

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 (FCI) hasta su desmantelamiento en 1999. Nova fue el primer experimento de FCI diseñado con la intención de alcanzar la "ignición", la condición en la que el auto calentamiento del plasma de fusión supera todas las pérdidas. Si bien Nova no logró este objetivo, los datos que generó definieron claramente que el problema se debía principalmente a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor , lo que condujo al diseño de la Instalación Nacional de Ignición , su sucesora. Nova también generó una cantidad considerable de datos sobre física de la materia de alta densidad, independientemente de la falta de ignición, lo cual resulta útil tanto para la energía de fusión como para la investigación de armas nucleares .

Los dispositivos de fusión por confinamiento inercial (FCI) utilizan impulsores para calentar rápidamente las capas exteriores de un blanco con el fin de comprimirlo. El blanco es una pequeña pastilla esférica que contiene unos pocos miligramos de combustible de fusión, generalmente una mezcla de deuterio y tritio . El calor del láser impulsor quema la superficie de la pastilla, convirtiéndola en plasma , que explota al desprenderse de la superficie. La porción restante del blanco es impulsada hacia adentro debido a la tercera ley de Newton , colapsando finalmente en un pequeño punto de muy alta densidad. ^{[ 1 ]}

La rápida expulsión también crea una onda de choque que viaja hacia el centro del combustible comprimido. Cuando llega al centro del combustible y se encuentra con la onda de 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 elevan 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 ) colisionan con el combustible de alta densidad restante a su alrededor y se ralentizan. Esto calienta el combustible y puede provocar que este también experimente fusión. Dadas las condiciones generales adecuadas del combustible comprimido ( temperatura suficientemente alta y un producto suficientemente alto de la densidad y el tiempo durante el cual el plasma está confinado por su propia inercia ), este proceso de calentamiento puede resultar en la ignición, iniciando una onda de combustión que se propaga desde el punto caliente central. ^{[ 2 ]}

Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos de FCI han utilizado láseres para calentar los blancos. Los cálculos muestran que la energía debe suministrarse rápidamente para comprimir el núcleo antes de que se desintegre, además de crear una onda de choque adecuada. La energía también debe concentrarse de manera extremadamente uniforme en la superficie exterior del blanco para colapsar el combustible en un núcleo simétrico. Si bien 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 alrededor de 1  kJ, mientras que la "alta ganancia" requeriría energías de alrededor de 1  MJ. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Aunque esto suena a muy baja potencia en comparación con las máquinas modernas, en ese momento estaba justo más allá del estado de la técnica y condujo a varios 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 la fusión por confinamiento inercial (ICF). El LLNL estaba interesado principalmente en el láser de neodimio:vidrio , que, en ese momento, era uno de los pocos diseños de láseres de alta energía conocidos. El LLNL decidió 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 Alamos ) o KrF (por ejemplo, el láser Nike , Laboratorio de Investigación Naval ). No se había intentado construir grandes láseres de neodimio:vidrio 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 pequeñas variaciones en la intensidad de los haces provocaban un "autoenfoque" en el aire y en la óptica de vidrio, en un proceso conocido como lente de Kerr . El haz resultante incluía pequeños "filamentos" de intensidad lumínica extremadamente alta, tan alta que dañaba 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 cuando surgió otro problema grave e inesperado. Se descubrió que la luz infrarroja generada por los láseres de Nd:vidrio interactuaba fuertemente con los electrones del plasma creado durante el calentamiento inicial mediante el proceso de dispersión Raman estimulada . Este proceso, denominado "precalentamiento de electrones calientes", absorbía gran parte de la energía del láser y, además, provocaba que el núcleo del objetivo se calentara antes de alcanzar la compresión máxima. Esto significaba que se depositaba mucha menos energía en el centro del colapso, tanto por la reducción de la energía de implosión como por la fuerza de empuje hacia afuera del núcleo calentado. Si bien se sabía que longitudes de onda más cortas reducirían este problema, se había previsto que las frecuencias infrarrojas utilizadas en Shiva serían "suficientemente cortas". Esto no resultó ser así. ^{[ 9 ]}

Se exploró una solución a este problema mediante 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. Si bien el proceso solo alcanza una eficiencia del 50 % y se pierde la mitad de la potencia original del láser, la luz ultravioleta resultante se acopla de forma mucho más eficiente al plasma objetivo y es mucho más eficaz para colapsarlo a alta densidad.

Con estas soluciones en mano, el LLNL decidió construir un dispositivo con la potencia necesaria para generar las condiciones de ignición. El diseño comenzó a finales de la década de 1970, y la construcción se inició poco después con el láser Novette de prueba para validar el diseño básico de la línea de haz y el multiplicador de frecuencia. Era una época de repetidas crisis energéticas en Estados Unidos, y la financiación no era difícil de conseguir, dado el gran presupuesto disponible para la investigación en energías alternativas y armas nucleares.

Durante la fase de construcción inicial, 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 se modificó entonces a un diseño más pequeño que añadió conversión de frecuencia a  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 haz . Cada línea de haz consistía en 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 haz se conocían ya en Shiva, no estaban bien desarrolladas en ese momento. Nova terminó con un solo pliegue en su disposición, y la bahía láser que contenía las líneas de haz tenía 300 pies (91 m) de largo. Para el observador casual parece contener veinte líneas de haz de 300 pies (91 m) de longitud, pero debido al pliegue, cada una de las diez es en realidad de casi 600 pies (180 m) de longitud en términos de longitud de trayectoria óptica. ^{[ 11 ]}   

Antes de disparar, los amplificadores de vidrio Nd: se excitan con una serie de lámparas de destello de xenón que los rodean. Parte de la luz producida por las lámparas queda atrapada en el vidrio, lo que provoca 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 potencia suministrada a las lámparas se convierte realmente en energía láser. Para producir la potencia láser necesaria para Nova, las lámparas debían ser muy grandes y alimentarse desde un gran banco de condensadores ubicado debajo de la bahía del láser. El destello también genera una gran cantidad de calor que deforma el vidrio, lo que requiere tiempo para que las lámparas y el vidrio se enfríen antes de poder volver a disparar. Esto limita a Nova a un máximo de seis disparos al día.

Una vez bombeado y listo para disparar, un pequeño pulso de luz láser se introduce en las líneas de haz. Los discos de Nd:vidrio transfieren potencia adicional al haz a medida que este pasa a través de ellos. Tras pasar por varios 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 haz, ^{[ 11 ]} con la opción de añadir un amplificador adicional en la última etapa, aunque no está claro si estos se utilizaron en la práctica.

Desde allí, los diez haces pasan al área experimental en un extremo de la bahía láser. Allí, una serie de espejos reflejan los haces para que incidan en el centro de la bahía desde todos los ángulos. Dispositivos ópticos en algunos de los recorridos ralentizan los haces para que todos lleguen al centro al mismo tiempo (en aproximadamente un picosegundo), ya que algunos haces tienen recorridos más largos hacia el centro que otros. Multiplicadores de frecuencia convierten la luz a verde y azul (UV) justo antes de que entre en la "cámara objetivo". Nova está configurado de manera 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 entregar aproximadamente 100  kilojulios de luz infrarroja a 1054  nm, o 40-45 kilojulios de luz triplicada en frecuencia a 351  nm (el tercer armónico de la línea fundamental de Nd:Vidrio 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 método de impulsión indirecta , donde la luz láser se enfoca en la superficie interna de una lámina metálica delgada, generalmente de oro, plomo u otro metal de alto número atómico (Z) . Al calentarse con el láser, el metal reemite esta energía en forma de rayos X difusos , que son más eficientes que la radiación 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 la energía del láser. Por lo tanto, si bien la compresión es más eficiente, la energía total entregada al objetivo es mucho menor. La razón de la conversión a rayos X no es mejorar la entrega de energía, sino "suavizar" el perfil energético; dado que la lámina metálica distribuye el calor de alguna manera, las anisotropías del láser original se reducen considerablemente. ^{[ 11 ]}

Las carcasas de lámina, o hohlraums , generalmente tienen forma de pequeños cilindros abiertos, con el láser dispuesto para incidir en los extremos abiertos en un ángulo oblicuo para alcanzar la superficie interior. Para apoyar la investigación sobre el sistema 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 configuró para enfocar los diez haces en dos conjuntos de cinco cada uno, que pasaban a esta segunda área y luego a cada extremo de la cámara de destino, y de allí a los hohlraums. ^{[ 12 ]}

Resulta confuso que el método de propulsión indirecta no se hiciera público hasta 1993. Los documentos de la época de Nova publicados en revistas científicas generales y materiales similares o bien pasan por alto el tema, o bien implican que Nova utilizaba el método de propulsión directa , sin los hohlraums. ^{[ 13 ]}

Como había sucedido con el Shiva anterior, Nova no cumplió 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 atribuyó a 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 haz, lo que significó que diferentes áreas del pellet recibieron diferentes cantidades de calentamiento en su superficie. Esto dio lugar a puntos calientes en el pellet que quedaron impresos en el plasma implosionante, sembrando inestabilidades de Rayleigh-Taylor y, por lo tanto, mezclando el plasma de manera que el centro no colapsara uniformemente. ^{[ 14 ]}

No obstante, Nova siguió siendo un instrumento útil incluso en su forma original, y la cámara principal de blancos 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 a lo largo de su vida útil, tanto para mejorar Nova como para comprender mejor NIF. ^{[ 15 ]} Estos experimentos contribuyeron considerablemente no solo a la comprensión de la FCI, sino también a la física de alta densidad en general, e incluso a la evolución de la galaxia y las supernovas .

Cuando se desmanteló Nova para dar paso a NIF, la cámara de blancos se prestó a Francia para su uso temporal durante el desarrollo de Laser Megajoule , un sistema similar a 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 haz 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 operar, lo que entonces se estimaba para 2003 como muy pronto. El trabajo en NIF no se declaró formalmente terminado hasta el 31 de marzo de 2009. ^{[ 24 ]}