[論文レビュー] The National Ignition Facility: Status and Plans for Laser Fusion and High-Energy-Density Experimental Studies

E Moses|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 4

ひとこと要約

国立慣性コンfinement融合施設（NIF）は、LLNLで建設中の192ビーム、1.8メガジュール、500テラワットのレーザーシステムであり、慣性コンfinement融合および高エネルギー密度物理学実験を可能にする。米国兵器備蓄管理計画のための設計であり、モジュラーなレーザーハードウェア、60,000の制御ポイントを持つ分散型制御システム、AdaおよびJavaで実装されたオブジェクト指向ソフトウェアを用い、正確なビーム供給と実験の調整を実現する。初回発光は2004年予定、完成は2008年予定である。

ABSTRACT

The National Ignition Facility (NIF) currently under construction at the University of California Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) is a 192-beam, 1.8-megajoule, 500-terawatt, 351-nm laser for inertial confinement fusion (ICF) and high-energy-density experimental studies. NIF is being built by the Department of Energy and the National Nuclear Security Agency (NNSA) to provide an experimental test bed for the U.S. Stockpile Stewardship Program to ensure the country's nuclear deterrent without underground nuclear testing. The experimental program will encompass a wide range of physical phenomena from fusion energy production to materials science. Of the roughly 700 shots available per year, about 10% will be dedicated to basic science research. Laser hardware is modularized into line replaceable units (LRUs) such as deformable mirrors, amplifiers, and multi-function sensor packages that are operated by a distributed computer control system of nearly 60,000 control points. The supervisory control room presents facility-wide status and orchestrates experiments using operating parameters predicted by physics models. A network of several hundred front-end processors (FEPs) implements device control. The object-oriented software system is implemented in the Ada and Java languages and emphasizes CORBA distribution of reusable software objects. NIF is currently scheduled to provide first light in 2004 and will be completed in 2008.

研究の動機と目的

• 慣性コンfinement融合および高エネルギー密度プラズマ状態を実現できる高エネルギー密度レーザーシステムの開発。
• 地下核実験なしで核抑止力科学の実験施設を提供することで、米国兵器備蓄管理計画を支援すること。
• 核融合エネルギー、材料科学、プラズマ物理学における広範な実験的調査を可能にすること。
• 高精度の実験キャンペーンに適したモジュラーで信頼性が高くスケーラブルなレーザーおよび制御システムの設計と実装。
• 年間発射回数の約10％（約70発）を基礎科学研究に割り当てること。

提案手法

• NIFは、192本のレーザービームを中央のターゲット・チャンバーに集光し、351 nmの波長で1.8メガジュールの光を、ピーク出力500テラワットで照射する。
• レーザーハードウェアは、変形可能ミラー、増幅器、マルチファンクションセンサーパッケージを含む、交換可能なユニット（LRU）にモジュラー化されている。
• ビームの整合性、タイミング、診断を管理する、ほぼ60,000の制御ポイントを持つ分散型コンピュータ制御システムが採用されている。
• 施設全体にネットワーク接続されたフロントエンドプロセッサ（FEP）が、リアルタイムのデバイス制御とフィードバックを実行する。
• ソフトウェアシステムはオブジェクト指向で実装されており、AdaおよびJavaで記述され、再利用可能なソフトウェアコンponentの分散統合にCORBAが使用されている。
• 運用室での監視制御は、物理モデルの予測を用いて実験を調整し、施設全体の状態を監視する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー密度レーザーシステムは、慣性コンfinement融合実験に必要なエネルギーおよび出力レベルをどのように達成できるか？
• RQ2 192本の同期されたレーザービームを高精度で制御するには、どのような制御アーキテクチャが必要か？
• RQ3 モジュラーで交換可能なハードウェア設計は、大規模な実験施設における信頼性と保守性をどのように確保できるか？
• RQ4 分散型オブジェクト指向ソフトウェアシステムは、複雑なレーザーシステムのスケーラブルかつ再利用可能な制御をどのように可能にするか？
• RQ5 国立施設として、機密の兵器備蓄管理ミッションとオープンな基礎科学研究の両立はどのように実現できるか？

主な発見

• NIFは2004年に初回発光を予定し、2008年までに完全に完成する予定である。
• 施設は351 nmの波長で1.8メガジュールのレーザー光を、ピーク出力500テラワットで照射する。
• 年間約70発（総発射数の10％）が基礎科学研究に専用される。
• 制御システムはほぼ60,000の制御ポイントを有し、数100台のフロントエンドプロセッサのネットワークによって管理されている。
• ソフトウェアアーキテクチャは、AdaおよびJavaを用いたオブジェクト指向設計であり、CORBAを用いて再利用可能なコンponentを分散統合している。
• 施設は、核融合エネルギー生成から極限状態における材料挙動まで、広範な高エネルギー密度実験を支援するように設計されている。