Transmission final lenses in the HiPER laser fusion power plant: system design for temperature control

Abstract

The European laser fusion project HiPER is developing technologically feasible components for a laser fusion power plant with an evacuated dry wall chamber which is likely to operate with a shock ignition scheme and direct targets. One of the key components is the final optics. In this work, we consider silica transmission final lenses and address the major issues regarding the unavoidable neutron irradiation they must withstand. For pre-commercial power plants (150 MJ target yield at 10 Hz) a distance of 16 m between the final lenses and target leads to maximum lens temperatures within tolerable limits. However, a non-uniform steady-state temperature profile is a major concern because it is the origin of unacceptable aberrations that severely affect the target spots. We have devised an active intervention system based on a heat-transfer fluid to keep the temperature profile as smooth as possible. The main characteristics of the temperature control system are defined throughout this work and enable the operation of the plant, both for the start-up procedure and for normal operation.

Permanent modifications in silica produced by ion-induced high electronic excitation: experiments and atomistic simulations

“…Compaction is triggered by the initial collective atomic motion and colour centre generation by bond breaking. Understanding the intrinsic mechanisms of damage in silica is of technological relevance due to the importance of silica as the material of choice in many applications subject to irradiation, either unavoidably due to its application function 47 – 49 or intentionally to tailor its properties 50 . In this context, the results reported in this paper constitute a significant contribution.…”

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

“…Mediante este diseño se puede mantener constante y uniforme la temperatura de la lente evitando la aparición de aberraciones. 11 ................... 5 Figura 3.1: Evolución térmica obtenida de resolver la ecuación de transferencia del calor en coordenadas cilíndricas para el caso de una muestra de sílice infinita a la que se le impone en una región cilíndrica de radio a = 3.5 nm una energía cinética equivalente a un poder de frenado electrónico . Las líneas verticales corresponden a la densidad lineal de centros de color de la superficie de una muestra irradiadas con iones de la energía indicada.…”

“…1,10 En este proyecto se ha propuesto una cámara esférica de 6.5 metros de radio interno en el que se incidirá sobre el blanco con 48 haces láser colocados simétricamente y ópticas finales basadas en lentes de transmisión biconvexas situadas a 16 m del centro con dimensiones de 75 × 75 cm 2 , siendo visible un cuadrado de 60 cm de lado. 1,10,11 Otros esquemas plantean distintas posiciones y tamaños de lentes, como el caso de LIFE 12 que propone usar lentes de Fresnel situadas a 17 m y con unas dimensiones de 48 × 48 cm 2 . En fusión láser se emplean dos métodos de iluminación, directa (p.ej.…”

“…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.…”

“…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. 1,11 En nuestro grupo, A. R. Páramo et al 11 han desarrollado un modelo conceptual de lentes para controlar la temperatura de la lente mediante un fluido conductor de calor. 11 En la Figura 1.3 se representa el diseño de estas ópticas finales, mantenidas a 950 K (por encima de la temperatura de recocido de los centros de color) utilizando CO 2 como fluido conductor y protegidas por dos ventanas transparentes de sílice a temperaturas superiores a 800 K. Las simulaciones muestran para lentes a 16 m del blanco que los gradientes de temperatura y las tensiones mecánicas asociadas se mantienen dentro de límites aceptables (lo que evita la aparición de aberraciones), mientras que la concentración de centros de color es suficientemente baja como para mantener la eficiencia de transmisión del haz láser por encima del 90 %.…”