[논문 리뷰] The National Ignition Facility: Status and Plans for Laser Fusion and High-Energy-Density Experimental Studies

E Moses|ArXiv.org|2001. 11. 09.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 4

한 줄 요약

National Ignition Facility (NIF)는 192개의 레이저 빔, 1.8메가줄, 500테라와트의 레이저 시스템으로, LLNL에서 건설 중이며 관성 압축 핵융합 및 고에너지 밀도 물리 실험을 가능하게 한다. 미국의 무기군비 유지를 위한 프로그램을 위해 설계된 NIF는 모듈식 레이저 하드웨어, 제어점 수가 약 60,000개인 분산 제어 시스템, Ada와 자바로 작성된 객체지향 소프트웨어를 통해 정밀한 레이저 빔 공급과 실험 조율을 실현한다. 첫 번째 빛이 2004년에 관측되고, 2008년에 완공될 예정이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 관성 압축 핵융합 및 고에너지 밀도 플라즈마 조건을 달성할 수 있는 고에너지 레이저 시스템을 개발하는 것.
• 지하 핵실험 없이도 핵 방어력 과학의 시험장으로서 미국의 무기군비 유지를 위한 프로그램을 지원하는 것.
• 핵융합 에너지, 재료 과학, 플라즈마 물리학 분야의 다양한 실험 연구를 가능하게 하는 것.
• 고정밀 실험 캠프에 적합한 모듈식, 신뢰성 있고 확장 가능한 레이저 및 제어 시스템을 설계하고 구현하는 것.
• 연간 총 사출 수의 약 10% (약 70회)를 기본 과학 연구에 할당하는 것.

제안 방법

• NIF는 중심 타겟 챔버에 192개의 레이저 빔을 집중시켜 351nm 파장의 빛을 1.8메가줄, 피크 전력 500테라와트로 공급한다.
• 레이저 하드웨어는 교체 가능한 유닛(LRU)으로 모듈화되어 있으며, 변형 가능한 거울, 증폭기, 다기능 센서 패키지가 포함된다.
• 레이저 빔 정렬, 타이밍, 진단을 관리하기 위해 약 60,000개의 제어점을 갖춘 분산 컴퓨터 제어 시스템이 운영된다.
• 현장의 전반에 걸쳐 네트워크화된 프런트엔드 프로세서(FEP)들이 실시간 장치 제어 및 피드백을 수행한다.
• 소프트웨어 시스템은 객체지향 설계를 기반으로 하며, Ada와 자바로 작성되었고, 재사용 가능한 소프트웨어 컴포넌트의 분산 통합을 위해 CORBA 기반 아키텍처를 사용한다.
• 운영실의 상위 제어 시스템은 물리 모델 예측을 활용하여 실험을 조율하고 시설 전반의 상태를 모니터링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 레이저 시스템은 어떻게 관성 압축 핵융합 실험에 필요한 에너지 및 전력 수준을 달성할 수 있는가?
• RQ2 192개의 동기화된 레이저 빔을 고정밀도로 제어하기 위해 어떤 제어 아키텍처가 필요한가?
• RQ3 모듈식, 교체 가능한 하드웨어 설계는 대규모 실험 시설에서 신뢰성과 유지보수성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ4 분산형 객체지향 소프트웨어 시스템은 복잡한 레이저 시스템의 확장성과 재사용 가능한 제어를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 국가 수준의 시설은 기밀 유지된 무기군비 유지를 위한 임무와 개방형 기본 과학 연구 간의 균형을 어떻게 유지할 수 있는가?

주요 결과

• NIF는 2004년 첫 번째 빛을 관측하고, 2008년에 완전히 완공될 예정이다.
• 이 시설은 351nm 파장의 레이저 빛을 1.8메가줄, 피크 전력 500테라와트로 공급할 수 있다.
• 연간 약 70회(총 사출 수의 약 10%)가 기본 과학 연구에 할당될 예정이다.
• 제어 시스템은 약 60,000개의 제어점을 포함하며, 수백 개의 프런트엔드 프로세서 네트워크로 관리된다.
• 소프트웨어 아키텍처는 Ada와 자바로 작성된 객체지향 설계를 사용하며, CORBA를 통해 분산형, 재사용 가능한 컴포넌트 통합을 실현한다.
• 이 시설은 핵융합 에너지 생산부터 극한 조건에서의 재료 거동에 이르기까지 다양한 고에너지 밀도 실험을 지원하도록 설계되었다.