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. 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.
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.
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).
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? (https://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 https://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.
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.
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.
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 ))
Все открытые исследования по ICF это менее серьезно.
NIF не пред. получить 15 или 100 MJ.
Результаты испытаний дали требование о 100-mj indirect drive.
Вот здесь есть документы по этому-
https://nnsa.energy.gov/aboutus/ouroperations/generalcounsel/foia/reading-room-after2000
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.
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.
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, если стенки камеры и поверхность капсулы в состоянии термодинамического (квази)равновесия с излучением.