Зажигательное оборудование

Так выглядит hohlraum — зона термоядерной реакции в NIFhttps://lasers.llnl.gov/multimedia/photo_gallery/target_area/?id=0&category=target_area

    Уникальный комплекс National Ignition Facility — «Национальное Зажигательное Оборудование» в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса (США) обеспечивает проведение экспериментов с инерционным термоядерным синтезом. Это — самая мощная лазерная система в мире и уникальный лабораторный комплекс. Все, что касается оборудования и технических решений, заслуживает высших оценок и стоит очень дорого !  

   Место, где происходит термоядерный микровзрыв, называется немецким словом  hohlraum. Золотая камера, стенки которой приходят в состояние термодинамического равновесия с излучением. Абсолютно черное тело, как ни парадоксально это звучит. Hohlraum обеспечивает равномерный нагрев термоядерной таблетки электромагнитной энергией, излучаемой его стенками. То же самое, с тем же названием и для того же самого имеет «водородная» бомба http://extremal-mechanics.org/archives/706. Только в сотни раз большего размера, а источником фотонов служит рентгеновское излучение от первичного ядерного взрыва, проникающее в hohlraum через радиационный канал (interstage). 

       Инерционный термоядерный синтез. Источник изображения: https://www.llnl.gov/str/MarApr08/loomis.html

    А здесь два входных отверстия, через которые внутренность камеры освещают 192 ультрафиолетовых лазерных луча с общей мощностью до 500 Тераватт. В течении 3 — 5 наносекунд туда поступает 1 — 2 Мега-Джоуля энергии, которая переизлучается стенками в рентгеновском диапазоне. Термоядерная таблетка содержит несколько миллиграмм твердых дейтерия и трития при температуре 18 К, а также закаченный во внутреннюю полость газ. Капсула имеет сферическую оболочку диаметром 2 мм . Аблирующее покрытие может быть выполнено из бериллия или имеет композитную структуру на основе полиэтилена. Оно поглощает до 100 КДж энергии, результатом чего является радиационная имплозия капсулы. Полная аналогия с двухступенчатым ядерным боеприпасом ! Плотность вещества достигает 1000 г/куб.см, а  температура дейтерий-тритиевой начинки поднимается до сотни миллионов градусов. После этого ей остается только одно. Взорваться, как термоядерная бомба или зажечься, как звезда — кому как больше нравится :-)  

  Расчетный выход микровзрыва может достигнуть 20 МДж, что эквивалентно нескольким килограммам тротила. Формально будет иметь место эффективный, управляемый, инерционный, термоядерный синтез. Фактически, с учетом КПД лазерной системы не больше 1%, такая технология едва ли приведет к практическому источнику энергии. Только для зарядки конденсаторов, питающих лазерные усилители, требуется  420 МДж. При любых улучшениях капсулы и процесса, по-видимому, КПД установки не превысит 10%. Это — фундаментальная наука.

    Энергоэффективная реакция, так называемое «горение», пока не получается. Хотя термоядерный синтез имеет место быть. Возможно, что внутри капсулы не хватает «свечи зажигания» из делящегося материала. В таком масштабе просто нельзя инициировать цепную реакцию (средняя длина свободного пробега нейтрона в уране нормальной плотности ~13 см). Влиятельная газета «Нью-Йорк Таймс» опубликовала 6 октября 2012 критическую заметку о том, что программа NIF не достигла заявленных целей и не факт, что когда-нибудь достигнет    http://www.nytimes.com/2012/10/07/opinion/sunday/a-big-laser-runs-into-trouble.html?_r=0.

  Источник изображения https://www.llnl.gov/.

   На снимке огромное здание NIF, где происходят эти драматические события. Оно полностью занято зажигательным оборудованием — лазерами и системой фокусировки. Перед нами наглядное доказательство того, что данный подход не имеет перспективы, как практическое решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Все та же необузданная «водородная» бомба. Только в миниатюре и пока не взрывается !

Дмитрий Зотьев

Зажигательное оборудование: 10 комментариев

  1. Пора подвести итог. Программу инерционного, термоядерного синтеза (ICF), ради которой был построен NIF, можно считать провалившейся. Таблетки из дейтерия и трития гореть упорно не хотят. С 2015 года грандиозная уcтановка NIF используется для моделирования имплозии плутония (в миниатюре), что связано с разработкой новых, ядерных боеприпасов в условиях всеобщего запрета полномасштабных испытаний. Микрозвезда никак не зажигается!

    • Такой вывод ставит под сомнение схему термоядерной бомбы с радиационной имплозией. Если тут не удалось зажечь излучением, как тогда в бомбе зажигается? Про урановый сердечник я помню, но его назначение тоже не ясно. И еще вопрос, что значит: реакция имеет место, но горение не получается?

    • У меня тоже мелькнула такая мысль, однако процесс радиационной имплозии не обязан масштабироваться до как угодно малых размеров. Кроме того, в бомбе имплозия термоядерного тампера происходит под действием рентгеновской радиации с преобладанием фотонов ~10 кэВ, а в NIF используется верхний ультрафиолет. Назначение уранового сердечника очевидно — он делится. Под горением подразумевается реакция синтеза с выходом энергии больше, чем затрачено на зажигание (поступило в процессе лазерного облучения). Этого ни разу не наблюдалось.

  2. NIF на самом деле и не предполог. для зажигания,установка на KRF на 60 Mj.Именно она должна была обеспечить создание predictive кодов,это основано на серии ядерных испытаний Halite и Centurion.
    Может быть и 100-Mj лазер HF нужен.

    https://fas.org/irp/news/2010/09/masch-092607.pdf

    Автор намного более правый (правый перонист) чем любые американские консерваторы.

    • Предполагался, т.к. само название говорит об этом. Это же очевидно. Испытания Halite и Centurion проводились задолго до создания NIF, но в связи с ICF.

  3. Нет ,я видел рассекр. отчеты,но картина по ним восстанавливается.
    NIF или любая другая установка 1-2 MJ нужна была,чтобы убрать неопределенности из ICF gain curve.Была надежда ,что эксперм. на такой установке могут уменьшить требование с 60 MJ до 10 MJ. И 60 Mj-это KRF. Для лазера типа NIF энергия будет в 3-4 раза больше.
    За NIF установка была запланирована-LMF-LASER MICROFUSION FACILITY.
    NIF работает лишь в режиме hot spot ignition, на 10 или 60 MJ установка должна работать в volume ignition-т. е. в режиме оружия.

    Так было в 1988-1992.Сейчас трудно сказать,будут ли они ее строить.

    • Все так, сверхмощные лазеры использовались для проверки расчетных кодов состояния плазмы, процессов лазерного излучения и т.д.. Причем происходило это задолго до NIF. Но очевидно и прямо вытекает из того, что пишется о NIF, что главной задачей при создании этой установки было термоядерное зажигание в миниатюре. Это позволило бы экспериментировать с процессами в бомбе, не проводя полномасштабных испытаний. Но не получилось. И теперь уже, задним числом, эта неудача выглядит ожидаемой.

      Им так и не удалось достигнуть равномерной имплозии капсулы с D+T. Одной из причин, возможно, является окрытость hohlraum-a. Через отверстия для входа лазерных лучей фотоны покидали hohlraum. При этом дырки не были так малы по отношению к поверхности, чтобы модель черного тела могла быть адекватно применима.

      Второй причиной несомненно является следующая. При температуре около 100 миллионов К спектр чернотельного излучения имеет пик в жестком рентгеновском диапазоне, а лазер NIF был инфракрасным с повышением частоты до верхнего ультрафиолета (почти видимого света). Поэтому облучение капсулы и внутреннних стенок hohlraum-a в принципе не могло быть термодинамически уравновешено (т.е. быть чернотельным) при температуре термоядерного зажигания и даже при температуре в несколько миллионов K (нетрудно уточнить эти границы, мне просто лень считать). Следовательно, с помощью NIF в принципе нельзя было достигнуть равномерного нагрева капсулы с термоядерным горючим до достаточно высокой температуры, как это имеет место в бомбе.

      Третьей причиной, видимо, является отсутствие механизма подогрева термоядерного топлива изнутри (в бомбе этот механизм имеется). Одного сжатия снаружи недостаточно. Они пытались хитрить с дополнительным, более мощным лазером аттосекундной длительности импульса, который должен был нагреть капсулу изнутри. Но этот второй луч входил в нее снаружи. Это явно не сочетается с равномерной имплозией и, видимо, импульс разогревающего лазера был слишком коротким.

      В неудаче NIF я вижу яркое проявление современной тенденции к научной поверхности — лихорадочное стремление ученых ставить опыты и численно моделировать процессы далеко опережает их теоретическое осмысление и даже понимание основ. Зато статей и диссертаций написали тысячи на тему лазерного ICF ))

    • Да будет Вам их оправдывать )) Соорудили огромное, сложное и дорогое устройство, которое не дало ожидавшийся результат (зажигание синтеза), а потом говорят о том, что в результате уточнены требования к новой установке. Это смешно! Так можно страдать гигантоманией до бесконечности. Если Вы всерьез воспринимаете такого рода отговорки, то это — Ваша точка зрения. Я же останусь при своей. Она заключается в том, что идея NIF была мертворожденной. Доводы даны в предыдущем комментарии.

  4. Я этих людей не оправдываю.Требование на 2 установки( 1 MJ и далее 10-60 MJ) было ДО сооружения NIF в 1988 году.Комиссия Кунина это называлось.
    LLNL работала с лазерами на основе неодимового стекла.Они предложили 17 MJ установку.

    В LANL с лазерами на основе KRF и HF .Предложили установки на 10,60 и 100 MJ.