Зажигательное оборудование

Так выглядит hohlraum в NIF

    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. Нечто подобное 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 МДж энергии, которая переизлучается стенками в рентгеновском диапазоне. Термоядерная таблетка содержит 15 микрограмм 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 двухступенчатой ядерной бомбой ! 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 !

Дополнение к статье 5 лет спустя

   Сегодня уже можно сделать вывод о том, что цели NIF не достигнуты. Термоядерный синтез упорно не горит, на какие только ухищрения не шли ливерморцы!

  Можно предположить, почему это должно было происходить. Сферически симметричное сжатие капсулы возможно только в состоянии термодинамического равновесия. В таком случае температура поверхности капсулы в каждой точке одинакова, что обеспечивает симметричную абляцию. Предположим, что события в hohlraume-е происходят так, как представляли себе теоретики проекта NIF.

   Тогда вскоре после начала рентгеновского облучения (речь идет о долях наносекунды) поверхность сферической капсулы нагревается до десятков миллионов К и образуется сверхтонкий плазменный слой, находящийся в (квази)равновесии с излучением. Это означает, что приповерхностный слой плазмы излучает примерно столько же электромагнитной энергии, сколько и получает, но излучает ее также внутрь. Последнее ведет к прогреву капсулы в глубину и, соответственно, к утолщению плазменного слоя. По мере удаления от внешней поверхности его температура снижается до тех пор, пока излучение внутрь не станет пренебрежимо малым. При этом излучение наружу сравняется по интенсивности с падающим на капсулу излучением, т.е. наступит равновесие. Одновременно происходит расширение плазменного слоя за счет давления, что и является наиболее существенной для имплозии частью процесса абляции.

   Принципиально важным является то обстоятельство, что в процессе абляции поверхность капсулы находится в термодинамическом (квази)равновесии с излучением. Это позволяет оценивать количество поступающей в капсулу энергии, используя закон Стефана-Больцмана для излучения абсолютно черного тела:

I=\sigma T^4 

где I — интенсивность излучения (Вт/кв.м) с поверхности или падающего на поверхность, нагретую до температуры T Кельвинов, \sigma=5.67\cdot 10^{-8} — постоянная Стефана-Больцмана (в СИ).

Отсюда следует, что падающее на капсулу излучение имеет Планковский спектр, отвечающий температуре T поверхности капсулы. Вот как выглядит такой спектр при T=8\cdot 10^7 K, где N(E) — доля фотонов с энергией E в общем числе фотонов, излучаемых за секунду (речь идет о плотности распределения числа фотонов по энергиям).

   В этом спектре наибольшая плотность потока фотонов приходится на энергию немногим выше 10 КэВ, что отвечает рентгеновскому излучению с длиной волны порядка 1 Ангстрем. Это — типичный спектр излучения в зоне радиационной диффузии при взрыве ядерной бомбы (примерно 0.5 микросекунды после начала цепной реакции, порядка метра от точки зеро, ослепительной вспышки еще нет).

   Но откуда берутся фотоны такого горячего Планковского спектра, поливающие капсулу снаружи? В лазерных лучах таких фотонов почти нет. Их излучают стенки hohlraum-а, нагретые лучами мега-лазера. По крайней мере, так считали теоретики проекта NIF.

   Однако, здесь они вошли в противоречие с самим понятием hohlraum, т.к. этот термин означает камеру, внутренние стенки которой находятся в равновесии с излучением. Но падающее на стенки камеры нижнее ультрафиолетовое (по существу оптическое) лазерное излучение не может быть в термодинамическом равновесии с тепловым излучением, подчиняющимся закону Стефана-Больцмана (см. выше).

  При этом у поверхности стенки также образуется плазменный слой с температурой T близкой к 100 млн. К. Плазма излучает и поглощает излучение, как абсолютно черное тело. Следовательно излучение, поглощенное слоем плазмы у стенок камеры, имеет Планковский спектр при температуре T. Но это не так хотя бы потому, что падающее излучение является лазерным. Кроме того (и это важнее!) — среди фотонов в лазерных лучах нет имеющих энергию ~10 КэВ. Энергия прибывающих в hohlraum снаружи фотонов в 3 — 4 000 раз меньше. Поэтому стенки hohlraum-а не могут быть в равновесии с излучением. Но термодинамическое (квази)равновесие неизбежно наступит по мере образования плазменного слоя и его разогрева подобно тому, как выше описано для капсулы. Налицо противоречие!

   Таким образом, картинка событий в золотой камере, нарисованная воображением теоретиков из Ливермора, не соответствует реальности. Откуда они взяли, что таким способом можно устроить в hohlraum-е нечто подобное тому, что происходит в термоядерной бомбе, где отнюдь не оптические, а рентгеновские фотоны от взрыва первой ступени поливают вторую? (http://extremal-mechanics.org/archives/695).

   Они взяли это из успешных экспериментов по лазерной рентгеновской генерации в тонкой фольге, освещаемой сверхмощным оптическим лазером, и других в таком роде, которых много проводилось в 90-х. Но, по-видимому, там не было чернотельного излучения, отвечающего температуре около 100 млн. К, и плазма в целом не прогревалась до такой температуры. Другими словами, эти процессы были термодинамически неравновесными. Стоит заметить, что энергия лазерного излучения, которое при этом наблюдалось, была ничтожной по сравнению с энергией нагрева.

  Вот почему, несмотря на концентрацию колоссальной и, казалось бы, достаточной энергии, термоядерный синтез «не горит», хотя реакция имеет место (синтез в принципе возможен даже при комнатной температуре, т.к. хвост распределения Максвелла уходит в бесконечность, вот только обнаружить такую реакцию вряд ли получится). По-видимому, с помощью NIF в принципе нельзя достигнуть равномерного нагрева капсулы до достаточно высокой температуры так, как это происходит в термоядерной бомбе.

   Как видно из предыдущих рассуждений, для того, чтобы инерционный термоядерный синтез заработал, необходимо облучать капсулу рентгеновскими фотонами. То есть, нужно воспроизвести в миниатюре механизм радиационной имплозии, используемый в термоядерной бомбе. Источником рентгеновского излучения, имеющим достаточную интенсивность, является гипотетический рентгеновский лазер с накачкой ядерным взрывом http://extremal-mechanics.org/archives/75. Поскольку нужны фотоны с энергией ~10 КэВ, мощность взрыва накачки должна быть сотни килотонн или, возможно, мегатонны. Разумеется, идея поджигать синтез в объеме ~1 куб. мм с помощью взрыва в мегатонну является абсурдной.

   Сегодня активно ведутся опыты с рентгеновскими лазерами на свободных электронах. Для генерации на частоте 1 Ангстрем они должны быть сопряжены с большими ускорителями электронов. Это — не менее циклопическое сооружение, чем NIF. Но может быть таким образом получится зажечь термоядерную бомбу или звезду в миниатюре — кому как нравится.

Дмитрий Зотьев

Зажигательное оборудование: 11 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 нижнего 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 поверхностности — 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.

  5. Cтатья дополнена объяснением главной причины, по которой NIF не смог зажечь термоядерный синтез.

    Если в NIF предполагается облучать капсулу не рентгеновскими, а мягкими рентгеновскими (или жесткими ультрафиолетовыми) фотонами при температуре несколько млн. К (т.е. далеко от 100), то и в этом случае все аргументы остаются в силе. Противоречие состоит в том, что Планковский спектр излучения стенок hohlraum-а с пиком ~1 КэВ или даже ~0.1 КэВ не может иметь места при лазерном спектре поглощения с фотонами ~1 эВ.