Lifetime of silica final lenses subject to HiPER irradiation conditions

Abstract

The goal of the European laser fusion project, is to build an engineering facility for repetitive laser operation (HiPER 4a) and later a fusion reactor (HiPER 4b). A key aspect for laser fusion energy is the final optics. At the moment, it is based on silica transmission lenses located 8 m away from the chamber center. Lens lifetime depends on the irradiation conditions. We have used a 48 MJ shock ignition target for calculations. We have studied the thermo-mechanical effects of ions and X-rays on the lenses. Ions lead to lens melting and must therefore be mitigated. On the other hand, X-rays (~1% of the energy) does not produce either a significant temperature rise or detrimental stresses. Finally, we calculated the neutron flux and gamma dose rate on the lenses. Next, based on a simple model we studied the formation of color centers in the sample, which lead to optical absorption. Calculations show that simultaneous neutron and gamma irradiation does not significantly increase the optical absorption during the expected lifetime of the HiPER 4a facility. Under severe conditions (HiPER 4b), operation above 800 K or lens refreshing by thermal annealing treatments seem to assure adequate behavior.

Ultraintense Lasers as a Promising Research Tool for Fusion Material Testing: Production of Ions, X-Rays and Neutrons

“…Whereas neutrons deposit their energy all across the reactor, causing damage in the long run, X-rays and ions are stopped by the inner wall and front optics, having an immediate effect. From a thermomechanical point of view, plasma facing components suffer a sudden increase in their temperature, accompanied by the corresponding stress-strain cycle which occurs in microseconds [2,3]. This process occurs several times per second, causing a considerable fatigue in the material which eventually leads to cracking, mass loss and irauthor's e-mail: jalvarezruiz@gmail.com * ) This article is based on the presentation at the Conference on Inertial Fusion Energy '12. reversible damage.…”

“…Ledingham et al [34] for the most recent results. According to Ledingham, the most promising nuclear reactions for generating neutrons using intense lasers are (gamma,n), (gamma, fision), (p,n), d(d,n) 3 He and d(t,n) 4 He. Based on those reactions, neutron yields of around 10 9 -10 10 neutrons per shot have been reported for large laser systems (pulses >100 J).…”

“…Based on those reactions, neutron yields of around 10 9 -10 10 neutrons per shot have been reported for large laser systems (pulses >100 J). In the case of high repetition rate "table-top" systems, the production has been evaluated around 10 6 neutrons/s using the 7 Li(p,n) 7 Be or the d(d,n) 3 He reactions. One inconvenient of the reactions used is that the generated neutrons are of low energy (<3 MeV).…”

Estudios atomísticos de la respuesta a la irradiación de materiales ópticos con aplicación en plantas de fusión nuclear

“…Figura 1.1: Esquema de la cámara de un reactor de fusión nuclear por confinamiento inercial, en donde se representa esquemáticamente la posición de una de las ópticas finales encargadas de focalizar el haz láser y que van a recibir el impacto de las explosiones de los blancos de fusión. 1,13 Los flujos de radiación dependen enormemente del tipo de blanco elegido. Así, en primera aproximación, para un reactor de fusión por confinamiento inercial con blanco directo, similar al esquema de HiPER (Figura 1.1), se ha calculado que la energía que alcanza la pared en forma de irradiación se reparte entre los neutrones producidos en las reacciones de fusión (~ 71%) y los iones del plasma generado proveniente de los materiales protectores, productos de fusión y combustible no quemado (~ 27%).…”

“…Nótese que tal valor no debe exceder los límites operacionales (temperatura máxima de trabajo en continuo < 1223 K 11,18 ) para lo cual la única solución en el caso de plantas de potencia consiste en alejar las lentes de los blancos, pues su llegada no puede ser mitigada por ningún medio compatible con la operación normal de la planta. Para blancos directos de 150 MJ una distancia adecuada son 16 m; 11 (ii) tensiones térmicas que en todos los casos están por debajo del límite de fractura; (iii) centros de color que aumentan la opacidad de la lente en distintas bandas y pueden eliminarse manteniendo la temperatura de la lente en valores superiores a 800 K, correspondientes a la temperatura de recocido de los centros de color; 13,16,19 (iv) aparición de aberraciones ópticas, consecuencia de los gradientes de temperatura en la lente, que ocasionan variaciones de la distancia focal y, por tanto, serios fallos de funcionamiento. Este último punto puede evitarse manteniendo la temperatura de la lente estable, o mediante el uso de lentes de Fresnel en lugar de lentes de transmisión pues presentan un gradiente de temperatura menos marcado al ser mucho más finas lo que minimiza la aparición de aberraciones ópticas.…”