National Ignition Facility

National Ignition Facility, NIF [англ.], Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций США (буквальный перевод названия — Национальный зажигательный объект; вариант перевода — Национальная зажигательная лаборатория^[1]) — научный комплекс по исследованиям инерциального термоядерного синтеза, инициируемого лазерным излучением. Находится в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в городе Ливермор в штате Калифорния. Директор проекта NIF — физик Ed Moses (physicist) — версия статьи «Мозес, Эдвард» на английском языке Эдвард Мозес^ru_en (Edward Moses).

Схема здания лазерного комплекса

Один из лазерных ангаров комплекса

Капсула с D-T смесью
(мишень для лазеров)

Осуществлён первый успешный интегрированный эксперимент на установке NIF в Викиновостях

В отличие от реакторов типа токамак, необходимые для начала термоядерной реакции условия создаются в NIF облучением миниатюрной мишени мощным лазером^[1].

Помимо изучения управляемого термоядерного синтеза, NIF используется для проверки компьютерных моделей поведение ядерного оружия для National Nuclear Security Administration — версия статьи «Агентство ядерной безопасности США» на английском языке Агентства ядерной безопасности США^ru_en (NNSA), и в первое время существования установки это было её основное применение^[1].

Конструкция и принцип действияПравить

Назначение NIF — исследование управляемого термоядерного синтеза с инерциальным конфайнментом (от англ. confinement — удержание) и непрямым лазерным обжатием. Инерциальное удержание означает, что нагрев капсулы с термоядерным топливом производится настолько быстро, что благодаря инерции образовавшаяся в результате нагрева плазма не успевает разлететься, атомы топлива не успевают рассеяться в окружающем пространстве и в реакторной капсуле на краткое время создаётся сочетание температуры и давления, необходимое для преодоления кулоновского отталкивания протонов. Подобный принцип применён в термоядерной бомбах, где разогрев и обжатие дейтерида лития осуществляет инициирующий ядерный взрыв^[1].

В NIF используется мишень-хольраум, внутри которой подвешена миниатюрная металлическая сфера, в которую залита охлаждённая до 15 К смесь дейтерия и трития. Импульс инфракрасного лазера определённой формы (временная характеристика импульса строго регламентируется) расщепляется на 192 луча, каждый лучик проходит четыре раза через свой лазерный усилитель, каждый из усиленных лучей попадает в свой узел преобразования частоты, где исходное инфракрасное излучение превращается в ультрафиолетовое. Ультрафиолетовые лучи направляются в систему фокусировки и через окна в мишени-хольрауме освещают её внутренние стенки, выбивают из них фотоны рентгеновского излучения, которые уже нагревают и обжимают сферу с термоядерным топливом. Точность фокусировки лучей ультрафиолета составляет 10 мкм. За 10 нс мишень нагревается до 3 млн градусов, внешние слои капсулы с топливом испаряются, отдача давит на внутренние слои капсулы, что на 2 наносекунды обеспечивает давление около 200 млрд атмосфер, мишень сжимается приблизительно в 30 раз до плотности 1–1,3 кг/см³ (в 100 раз большей, чем у свинца), и в центре мишени начинается реакция слияния ядер, которая длится несколько десятков пикосекунд^[1].

Мощность импульса лазерной установки достигает 500 ТВт. На мишень попадает ультрафиолет с длиной волны 351 нм. Температура в центре мишени достигает 100 миллионов градусов. Дейтерий-тритиевая смесь в центре мишени сжимается до плотности около 1 кг/см³, давление эквивалентно 300 миллиардам атмосфер^[2]^[3]

В мишени протекает термоядерная реакция:

\text{[math]}

{}_{1}^{2}{\mbox{H}}+{}_{1}^{3}{\mbox{H}}\rightarrow {}_{2}^{4}{\mbox{He}}+{}_{0}^{1}{\mbox{n}}+17,6{\mbox{ MeV}}.

— ядро дейтерия и ядро трития сливаются с образованием ядра гелия (альфа-частицы) и нейтрона, выносящего большую энергию (17,6 МэВ).

Мощность этой термоядерной реакции, протекающей за пикосекунды цикла работы установки, сравнима с мощностью солнечного излучения, попадающего на Землю^[1].

Схема реакции дейтерий-тритий
Энерговыделение термоядерной реакции за 2011–2021 годы

Затраты энергии на инициирование реакции составляют около 400 МДж, расходы энергии на вспомогательные нужды – ещё около 100 МДж, при этом достигнут выход энергии в экспериментах в 2021 году 3,05 МДж, Итоговый энергетический баланс NIF отрицательный, это не энергетическая, а исследовательская установка. Более того, в её конструкции нет электрических генераторов, и полученное в ходе реакции тепло рассеивается с помощью градирен^[1].

Теория инерциального термоядерного синтезаПравить

В 1957 году создатель термоядерной бомбы Эдвард Теллер обсуждал с коллегами вариант получения энергии при взрыве термоядерного устройства малой мощности в трёхсотметровой полости в толще гранита^[1].

Лазерное обжатие термоядерной мишени придумал изобретатель лазера советский физик Николай Басов. В 1964 году он с коллегами опубликовал в Журнале экспериментальной и теоретической физики работу, в которой описал нагрев плазмы лазерным излучением, а в 1968 году — результаты эксперимента, в котором они наблюдали нейтроны при облучении дейтерида лития мощным лазером. Затем американский физик из Ливерморской национальной лаборатории John Nuckolls — версия статьи «Накколс, Джон Хопкин» на английском языке Джон Накколс^ru_en (англ. John Hopkin Nuckolls) опубликовал в 1972 году статью с эскизным описанием и установки для лазерного термоядерного синтеза и расчётом её коммерческой эффективности^[1].

Накколс с соавторами описал преимущество лазерного обжатия перед механическим — по их расчётам выходило, что необходимую для зажигания термоядерной реакции плотность вещества можно достигнуть посредством равномерного облучения сферической мишени лазерами. Предел давления, достижимой химическим взрывом — 10₇ атм, а лазерное обжатие по их расчётам должно дать давление 10₈–10₁₁ и более атмосфер^[1].

Группа Накколса предложила установку, в которой лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны были испарить внешние слои миллиметровой сферической мишени, которые при этом будут давить на вещество в её центре, и там получатся давление и температура, достаточные для запуска термоядерной реакции в смеси дейтерия и трития. Начавшаяся реакция при этом дожна была «поджечь» и остальное вещество мишени^[1].

Теоретические разработки показали, что для обжатия газообразной мишени нужна энергия лазеров порядка 100 МДж, что было недостижимо на тот момент. поэтому исследователи придумали вариант твёрдой мишени из замороженной дейтерий-тритиевой смеси. Холодная мишень за счёт механической прочности и ударной волной сжатия в твёрдом теле должна была разогреть центр мишени, что требовало энергии облучения около 2–3 МДж.

В дальнейшем учёные предложли принцип непрямого обжатия — свет лазеров облучал контейнер, внутри которого располагается мишень. Под воздействием лазерного излучения внутренние стенки контейнера излучают рентгеновские фотоны, которые уже облучают мишень. Такой контейнер получил название хольраум (от нем. hohlraum — пустое пространство, полость — этот термин был испольвзаон Максом Планком для описания модели абсолютно чёрного тела). Преобразование лазерного излучения в рентгеновское достаточно эффективно — расчётный выход рентгеновских фотонов должен составлять 70–80 % энергии лазерного излучения^[1].

История NIFПравить

Строительство научного комплекса NIF началось в 1997 году, официальная закладка фундамента основного здания NIF состоялась 29 мая 1997 года^[4].

На возведение всего комплекса ушло 12 лет и примерно $4 млрд.^{[источник не указан 72 дня]}

31 марта 2009 года было объявлено об окончании строительства NIF^[5]. В этом же году был проведён первый пробный запуск.

К 30 сентября 2012 года, после проведения более чем тысячи экспериментов, проекту так и не удалось продемонстрировать термоядерную реакцию. Проект оказался на грани закрытия, вопрос о его дальнейшем финансировании был поставлен перед Конгрессом США^[6]^[7].

В 2018 году, после серии технических улучшений, проекту удалось продемонстрировать термоядерную реакцию, выделившую 3,6 % от входной энергии лазера^[8].

В эксперименте в августе 2021 года в термоядерной реакции выделилось 1,3 МДж, примерно 70 % от входной энергии лазеров накачки. Этого удалось достичь, заменив водород-дейтериевую мишень на алмазную, благодаря чему возросло поглощение вторичных рентгеновских лучей, создаваемых лазерным импульсом, что в свою очередь увеличило эффективность имплозии^[9]. Однако последующие попытки воспроизвести этот результат не были успешными. В октябре 2021 года и позднее удалось достичь выхода в 400–700 КДж, в два и более раз меньше 1,3 МДж. Эта энергия не достигает установленных учёными значений для порога зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции^[10].

В эксперименте 5 декабря 2022 года учёные впервые в истории добились положительного выхода энергии в ходе реакции термоядерного синтеза, удалось получить около 3,15 мегаджоуля энергии, что превысило использованную в лазерах энергию — 2,05 мегаджоуля. Энергии было получено даже больше, чем планировалось, что привело к повреждению диагностического оборудования и усложнило анализ результатов^[11]^[12]^[13]. При этом для накачки системы лазеров потребовалась энергия, превышающая 400 мегаджоулей^[14].

См. такжеПравить

Nova — термоядерная установка, предшественница NIF, созданная в Ливерморской лаборатории в 1984 году
Международный экспериментальный термоядерный реактор
Wendelstein 7-X

ПримечанияПравить

↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² Гибалов, В. Зажгли : Лазерная установка NIF вышла в термоядерный плюс : [англ.] : [арх. 17 декабря 2022] // N+1. — 2020. — 14 December.
↑ Lindl, John Ignition Physics Program (неопр.). Lawrence Livermore National Laboratory (24 сентября 2005). Дата обращения: 1 августа 2022. Архивировано 15 января 2006 года.
↑ Climbing the mountain of fusion ignition: an interview with Omar Hurricane
↑ Multimedia: Photo Gallery, NIF & Photon Science
↑ Dedication of world’s largest laser marks the dawn of a new era
↑ Большому лазеру - большие проблемы Архивная копия от 15 октября 2012 на Wayback Machine AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 09.10.2012
↑ So Far Unfruitful, Fusion Project Faces a Frugal Congress Архивная копия от 12 ноября 2020 на Wayback Machine // The New York Times, September 29, 2012
↑ Phys. Rev. Lett. 120, 245003 (2018) - Fusion Energy Output Greater than the Kinetic Energy of an Imploding Shell at the National Ignition Facility (неопр.). Дата обращения: 25 августа 2021. Архивировано 25 августа 2021 года.
↑ https://web.archive.org/web/20210817201327/https://www.nytimes.com/2021/08/17/science/lasers-fusion-power-watts-earth.html
↑ Jeff Tollefson. Exclusive: Laser-fusion facility heads back to the drawing board (англ.) // Nature. — 2022-07-22. — doi:10.1038/d41586-022-02022-1.
↑ DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition
↑ FT узнал о прорыве в изучении термоядерной энергии
↑ В США впервые получили прирост энергии в результате реакции термоядерного синтеза
↑ Ryan, Jackson Major Energy Breakthrough: Milestone Achieved in US Fusion Experiment (неопр.). CNET. — «Powering the entire laser system used by the NIF requires more than 400 megajoules…».

СсылкиПравить

Science о долгожданном прорыве в термоядерном синтезе (англ.)
Сайт проекта (англ.)
Как NIF работает (англ.)
Создана мощная лазерная установка для запуска термоядерной реакции Архивная копия от 4 апреля 2009 на Wayback Machine.

[Гибалов,2022-1] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² Гибалов, В. Зажгли : Лазерная установка NIF вышла в термоядерный плюс : [англ.] : [арх. 17 декабря 2022] // N+1. — 2020. — 14 December.

[2] Lindl, John Ignition Physics Program (неопр.). Lawrence Livermore National Laboratory (24 сентября 2005). Дата обращения: 1 августа 2022. Архивировано 15 января 2006 года.

[3] Climbing the mountain of fusion ignition: an interview with Omar Hurricane

[4] Multimedia: Photo Gallery, NIF & Photon Science

[5] Dedication of world’s largest laser marks the dawn of a new era

[6] Большому лазеру - большие проблемы Архивная копия от 15 октября 2012 на Wayback Machine AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 09.10.2012

[7] So Far Unfruitful, Fusion Project Faces a Frugal Congress Архивная копия от 12 ноября 2020 на Wayback Machine // The New York Times, September 29, 2012

[8] Phys. Rev. Lett. 120, 245003 (2018) - Fusion Energy Output Greater than the Kinetic Energy of an Imploding Shell at the National Ignition Facility (неопр.). Дата обращения: 25 августа 2021. Архивировано 25 августа 2021 года.

[9] ttps://web.archive.org/web/20210817201327/https://www.nytimes.com/2021/08/17/science/lasers-fusion-power-watts-earth.html

[10] Jeff Tollefson. Exclusive: Laser-fusion facility heads back to the drawing board (англ.) // Nature. — 2022-07-22. — doi:10.1038/d41586-022-02022-1.

[11] DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition

[12] FT узнал о прорыве в изучении термоядерной энергии

[13] В США впервые получили прирост энергии в результате реакции термоядерного синтеза

[14] Ryan, Jackson Major Energy Breakthrough: Milestone Achieved in US Fusion Experiment (неопр.). CNET. — «Powering the entire laser system used by the NIF requires more than 400 megajoules…».

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]