Udział IFPiLM w projekcie budowy europejskiego ośrodka badań nad wytwarzaniem energii metodą laserowej fuzji termojądrowej z inercyjnym utrzymaniem plazmy.

 

     Projekt HiPER (High Power Laser Energy Research facility) to ogólnoeuropejskie przedsięwzięcie mające na celu stworzenie ośrodka badań nad laserową fuzją termojądrową z inercyjnym utrzymaniem plazmy. Głównym zadaniem ośrodka ma być zademonstrowanie możliwości wytwarzania tą metodą znaczących ilości energii z syntezy jąder deuteru i trytu w warunkach pracy układu fuzyjnego z dużą częstością repetycji (~10 Hz) wymaganą dla reaktora termojądrowego. Przyjmuje się, że w odróżnieniu od podejścia przyjętego w niedawno otwartym amerykańskim ośrodku National Ignition Facility podstawowym mechanizmem zapłonu paliwa termojądrowego w układzie HiPER będzie tzw. szybki zapłon. Istotą tego podejścia jest wstępna kompresja kuleczek paliwa termojądrowego przy użyciu wielowiązkowego lasera o impulsie nanosekundowym, a następnie punktowa inicjacja fuzji termojądrowej przy użyciu intensywnej wiązki lasera o impulsie pikosekundowym. Zadaniem układu HiPER będzie przebadanie tego mechanizmu zapłonu i zoptymalizowanie go w takim stopniu, aby można było na nim oprzeć program budowy energetycznego reaktora termojądrowego. Układ HiPER będzie stanowić także unikalne narzędzie do prowadzenia międzynarodowych badań podstawowych nad zjawiskami fizycznymi występującymi w warunkach ekstremalnych ciśnień, temperatur i natężeń pól elektromagnetycznych.

    Układ HiPER został wpisany w 2006 roku na europejską listę przyszłych wielkich urządzeń badawczych (European Roadmap for Future Research Infrastructures), a w 2008 roku konsorcjum powołane do budowy tego układu uzyskało grant w ramach Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej. Konsorcjum składa się z 26 instytucji z dziewięciu państw będących członkami UE, przy czym brytyjska agencja Science and Technology Facilities Council pełni w nim rolę koordynatora.

    Projekt HiPER jest obecnie w pięcioletniej fazie przygotowawczej (Preparatory Phase), która w 2013 roku przejdzie w fazę prac rozwojowych (Technology Development Phase), po której ma nastąpić budowa układu (Construction Phase). Projekt HiPER już obecnie jest uznawany za bardzo udaną inicjatywę, stał się bowiem doskonałą platformą ogólnoeuropejskiej współpracy w dziedzinie technologii laserów wielkiej mocy, badań nad oddziaływaniem intensywnych impulsów laserowych z materią, modelowania komputerowego fuzji z utrzymaniem inercyjnym, a także badań nad zachowaniem materii w warunkach ekstremalnych.

HiPER - Wizja artystyczna

Wizja przyszłego ośrodka HiPER do badań nad fuzją termojądrową z inercyjnym utrzymaniem plazmy

    IFPiLM jest Instytucją reprezentującą Polskę w projekcie HiPER. Instytut uczestniczy w trzech programach objętych projektem (tzw. Work Packages). Są to:

  • Program analizy warunków dla zainicjowania fuzji termojądrowej (The Requirements Analysis for Fusion Programme).
  • Program doświadczalnych badań nad fuzją inercyjną (The Fusion Experimental Programme).
  • Program badań podstawowych (The Fundamental Science Programme).

    Zadaniem IFPiLM w ramach pierwszego programu jest określenie właściwych parametrów wiązek laserowych oraz optymalnej geometrii tarczy dla schematów zapłonu alternatywnych w stosunku do zapłonu za pośrednictwem wiązek elektronów generowanych laserem. Głównym kandydatem jest tu tzw. szybki zapłon protonowy, w którym faktyczny impuls inicjujący punktowo fuzję ma postać intensywnej wiązki protonów wytworzonej w oddziaływaniu impulsu laserowego z tarczą stałą. Takie podejście jest obiecujące, ponieważ laserowo wytworzone wiązki protonów znacznie łatwiej dają się kolimować i zapewniają lepszy transfer energii do paliwa niż wiązki elektronów, choć kwestia wytworzenia wiązek o odpowiednim, bardzo dużym natężeniu wymaga dalszych badań. W ramach tego programu tworzone są zaawansowane kody komputerowe do kinetycznych symulacji plazmy w procesie akceleracji protonów przy oddziaływaniu lasera z różnymi tarczami, prowadzi się wielkoskalowe symulacje komputerowe w celu zbadania optymalnych parametrów fizycznych układów stosowanych przy akceleracji, a także analizy teoretyczne. Oprócz zapłonu protonowego rozważa się także tzw. zapłon udarowy, w którym czynnikiem powodującym zapłon paliwa jest koncentryczna, bardzo intensywna fala uderzeniowa wytworzona krótkotrwałym impulsem koncentrycznych wiązek laserowych.

    Zadaniem IFPiLM w zakresie programu doświadczeń nad fuzją inercyjną jest planowanie i realizacja doświadczeń weryfikujących wyniki uzyskane z symulacji komputerowych dla rozmaitych schematów zapłonu plazmy, z naciskiem na zapłon protonowy i zapłon udarowy. Zespół IFPiLM realizował takie doświadczenia w laboratoriach PALS (Republika Czeska) i LULI (Ecole Polytechnique, Francja) – pełniąc rolę inicjatora i koordynatora pracy międzynarodowych zespołów doświadczalnych – a także uczestniczył w doświadczeniu przeprowadzonym w Rutherford Appleton Laboraotry (Wielka Brytania).

    Zadaniem IFPiLM w ramach programu badań podstawowych jest zidentyfikowanie tych obszarów badań, w których układ HiPER oferuje unikalne możliwości, ze szczególnym uwzględnieniem fizyki jądrowej i astrofizyki laboratoryjnej, a także określenie parametrów układu najlepiej odpowiadających potrzebom takich badań. Prowadzone są w tym celu badania teoretyczne, symulacje komputerowe i szeroko zakrojone analizy literaturowe, a także pilotażowe doświadczenia na istniejących już układach laserowych wielkiej mocy.

Schemat koncepcyjny szybkiego zapłonu

Schemat koncepcyjny szybkiego zapłonu skomprymowanej kuleczki paliwa DT przy użyciu wiązki
protonów wytworzonych na skutek oddziaływania pikosekundowego impulsu laserowego z tarczą
umieszczoną wewnątrz stożka prowadzącego

 Komora doświadczalna w IFPiLM

Komora doświadczalna w IFPiLM do badań nad laserową akceleracją protonów oraz badań podstawowych.

Laser 10 TW

Laser 10 TW
Femtosekundowy laser wielkiej mocy (10 TW) w IFPiLM przeznaczony do badań związanych z fuzją
laserową oraz badań intensywnych oddziaływań laser-materia
Logo RPO Logo Mazowsze Logo UE
Początek strony