Национальная зажигательная установка
Лазерный термоядерный синтез
Об идее лазерного управляемого термоядерного синтеза заговорили вскоре после того, как появились сами лазеры. Впервые она была высказана в 1961 году в докладе Николая Басова и Олега Крохина на заседании Президиума АН СССР. Способность лазерного луча концентрировать огромную мощность в малом объёме навела на мысль об использовании излучения лазера для быстрого сжатия и нагрева небольших крупинок вещества до термоядерных температур.
Эксперименты по достижению высоких плотностей сжимаемого топлива начались в середине 70-х годов в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) на установке «Кальмар». В 1972 году в отдельных, особо удачных, выстрелах удалось достичь тридцатикратного сжатия крупинки-мишени. Температура в её центре достигала 5 млн. градусов, а давление - нескольких миллиардов атмосфер. При этих условиях начинались термоядерные реакции - приборы регистрировали рождение нейтронов, пусть пока и в незначительном количестве.
В дальнейшем работы по лазерному термоядерному синтезу развернулись в США (установки «Шива», «Нова» в Ливерморской лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Японии («Гекко-12») и в СССР («Дельфин» в ФИАНе, «Искра-4», «Искра-5» в Арзамасе-16) на уровне энергии лазеров 1-100 килоджоулей.
На фото - установка «Нова», построенная в 1984 году. Диаметр её камеры составлял 4.5 м, а 10 ультрафиолетовых лучей несли энергию в 40 кДж.
National Ignition Facility
Весной 2009 года в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии было закончено строительство самого мощного в мире лазерного комплекса двойного назначения под названием «Национальная зажигательная установка» (US National Ignition Facility, NIF). Строительство NIF продолжалось 12 лет и обошлось приблизительно в 4 млрд. долларов.
Схема работы установки NIF.
Вид и схема здания NIF. Экспериментальная лаборатория представляет собой внушительное 10-этажное сооружение площадью в 3 футбольных поля, которые условно показаны поверх здания на фото. На нижнем изображении обозначены два гигантских зала с лазерными установками (1 и 2), генерирующими поток лучистой энергии, и жаропрочная сферическая камера (3). В залах проложены трубы оптической системы, предназначенной для формирования, усиления и преобразования двух потоков по 96 лазерных лучей каждый.
Один из двух залов с лазерными установками, создающими потоки излучения, сводимые, в итоге, в 10-метровую камеру-сферу. Задающий лазерный генератор формирует короткие короткие отрезки лучей, которые затем многократно усиливаются в процессе пробега по каналам оптической системы. Требования к их синхронизации строгие - к мишени они должны придти с временным разбросом не более 30 пикосекунд, чтобы обеспечить синхронность воздействия. Генерация и усиление излучения идут на длине волны 1053 нм, то есть в инфракрасной области спектра. Перед входом в камеру-сферу специальный преобразователь превращает лучи в высокоэнергетичные ультрафиолетовые с длиной волны в 351 нм.
Схема камеры.
Камера - вид изнутри.
Ещё одна фотография камеры. Справа торчит специальный держатель, фиксирующий миниатюрный термоядерный заряд в её центре.
Оптическая инспекционная система, служащая для проверки ориентации и фокусировки лазеров.
Если направлять лучи лазера непосредственно на мишень, то трудно добиться равномерного её сжатия. А если сжатие окажется неравномерным, реакция сразу же угаснет. Поэтому в NIF лазер должен "бить" не в мишень, а в стенки специального бокса-хольраума. Служащий контейнером для мишени хольраум имеет вид золотистого цилиндрика размером 9 на 5 мм.
А так выглядит сам заряд, подвешиваемый внутри хольраума на полимерной распорке. Он представляет собой полый шарик диаметром 2 мм с оболочкой из полимера или бериллия и должен содержать внутри замороженное дейтериево-тритиевое топливо в количестве около 150 микрограммов. Когда лучи лазеров достигают заряда, стенки хольраума начинают испускать рентгеновское излучение, "испаряющее" оболочку. Мгновенное испарение внешнего слоя создаёт реактивную силу, направленную к центру. Под её действием заряд с топливом сжимается, при этом его температура должна достигнуть 100 млн. градусов, а давление внутри в 100 млрд. раз превысить атмосферное. Для сравнения - температура в центре Солнца составляет около 16 млн. градусов.
Полностью собранная мишень, включающая хольраум и держатель.
Лучи 192 лазеров, несущие в сумме энергию в 1.8 мегаджоуля, проникают через два отверстия в торцах цилиндра. Если термоядерная реакция в находящемся в центре шарике будет запущена, высвободится порядка 20 мегаджоулей энергии. Улучшение в дизайне мишени и лазерной системы сулит поднятие термоядерного "выхода" с одного взрыва до 45 МДж (больше не позволят особенности камеры), что эквивалентно подрыву 11 кг тротила.
Из анимации, показывающей работу NIF:
(a) первая миллиардная доля секунды (1 наносекунда) - лучи лазеров проникают в хольраум;
(b) в последующие 10 наносекунд они инициируют рентгеновское излучение;
(c) 15 наносекунд - начинается взрыв мишени;
(d) 20 наносекунд - достигается термоядерное зажигание.
Из-за схожести с процессами, протекающими при взрыве водородной бомбы, лазерный синтез находится в фокусе внимания разработчиков вооружений, особенно в связи с ограничениями ядерных испытаний международными соглашениями. Лишь часть экспериментов зарезервированы для исследований, имеющих отношение к энергетике, остальные связаны с оружием. Изучаются условия при взрыве в целях совершенствования вычислительных моделей действия термоядерного оружия.
Установка NIF была достроена к концу марта 2009 года и начала работу в июне. В январе 2010 года была получена энергия лазерного выстрела в 1 МДж, что в 30 раз превышает энергию, когда-либо достигавшуюся другими лазерами или их группами. В первых экспериментах энергии, да и мишени были меньше, причём в качестве последних применялись капсулы с газом. "Выстрел" мощностью 1 МДж стал кульминацией этих экспериментов, и в нём впервые использовалась полноразмерная капсула. Следующим шагом является переход к "термоядерным" топливным капсулам, покрытым изнутри замороженным до -253°С водородным слоем. Опыты с ними планируется начать летом 2010 года.
Что касается реактора на основе лазерного синтеза, то вспышки в центре камеры при должной частоте взрывов приведут к сильному разогреву её стенок, а это тепло можно конвертировать в электрический ток. Пока NIF способна производить один лазерный "выстрел" каждые 5 часов - больше не позволит разогрев оптической системы, приводящий к её деформации. Промышленная же система лазерного синтеза должна обеспечивать подрыв в центре установки по несколько топливных шариков в секунду. Кроме того, подаваемые "на вход" 1.8 МДж - это энергия уже сгенерированного ультрафиолетового лазерного импульса, до преобразования в УФ-излучение его энергия составляла 4 МДж, а его создание наверняка потребовало куда больших энергетических затрат.
Что касается заделов на будущее, то последние несколько лет во Франции ведётся строительство лазера LMJ, похожего по своим характеристикам на американский NIF. По оценкам специалистов, первые эксперименты по зажиганию мишени будут проведены на этом лазере с отставанием от США примерно на три года. Также в Европе было выделено финансирование на первый этап теоретических работ над проектом HiPER, который должен превзойти NIF по мощности.
Ссылки:
https://lasers.llnl.gov/ - сайт проекта
National Ignition Facility - фотосет на Flickr
Крупнейший лазер направил тераватты на кончик ядерной иглы ("Мембрана")
Об идее лазерного управляемого термоядерного синтеза заговорили вскоре после того, как появились сами лазеры. Впервые она была высказана в 1961 году в докладе Николая Басова и Олега Крохина на заседании Президиума АН СССР. Способность лазерного луча концентрировать огромную мощность в малом объёме навела на мысль об использовании излучения лазера для быстрого сжатия и нагрева небольших крупинок вещества до термоядерных температур.
Эксперименты по достижению высоких плотностей сжимаемого топлива начались в середине 70-х годов в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) на установке «Кальмар». В 1972 году в отдельных, особо удачных, выстрелах удалось достичь тридцатикратного сжатия крупинки-мишени. Температура в её центре достигала 5 млн. градусов, а давление - нескольких миллиардов атмосфер. При этих условиях начинались термоядерные реакции - приборы регистрировали рождение нейтронов, пусть пока и в незначительном количестве.
В дальнейшем работы по лазерному термоядерному синтезу развернулись в США (установки «Шива», «Нова» в Ливерморской лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Японии («Гекко-12») и в СССР («Дельфин» в ФИАНе, «Искра-4», «Искра-5» в Арзамасе-16) на уровне энергии лазеров 1-100 килоджоулей.
На фото - установка «Нова», построенная в 1984 году. Диаметр её камеры составлял 4.5 м, а 10 ультрафиолетовых лучей несли энергию в 40 кДж.
National Ignition Facility
Весной 2009 года в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии было закончено строительство самого мощного в мире лазерного комплекса двойного назначения под названием «Национальная зажигательная установка» (US National Ignition Facility, NIF). Строительство NIF продолжалось 12 лет и обошлось приблизительно в 4 млрд. долларов.
Схема работы установки NIF.
Вид и схема здания NIF. Экспериментальная лаборатория представляет собой внушительное 10-этажное сооружение площадью в 3 футбольных поля, которые условно показаны поверх здания на фото. На нижнем изображении обозначены два гигантских зала с лазерными установками (1 и 2), генерирующими поток лучистой энергии, и жаропрочная сферическая камера (3). В залах проложены трубы оптической системы, предназначенной для формирования, усиления и преобразования двух потоков по 96 лазерных лучей каждый.
Один из двух залов с лазерными установками, создающими потоки излучения, сводимые, в итоге, в 10-метровую камеру-сферу. Задающий лазерный генератор формирует короткие короткие отрезки лучей, которые затем многократно усиливаются в процессе пробега по каналам оптической системы. Требования к их синхронизации строгие - к мишени они должны придти с временным разбросом не более 30 пикосекунд, чтобы обеспечить синхронность воздействия. Генерация и усиление излучения идут на длине волны 1053 нм, то есть в инфракрасной области спектра. Перед входом в камеру-сферу специальный преобразователь превращает лучи в высокоэнергетичные ультрафиолетовые с длиной волны в 351 нм.
Схема камеры.
Камера - вид изнутри.
Ещё одна фотография камеры. Справа торчит специальный держатель, фиксирующий миниатюрный термоядерный заряд в её центре.
Оптическая инспекционная система, служащая для проверки ориентации и фокусировки лазеров.
Если направлять лучи лазера непосредственно на мишень, то трудно добиться равномерного её сжатия. А если сжатие окажется неравномерным, реакция сразу же угаснет. Поэтому в NIF лазер должен "бить" не в мишень, а в стенки специального бокса-хольраума. Служащий контейнером для мишени хольраум имеет вид золотистого цилиндрика размером 9 на 5 мм.
А так выглядит сам заряд, подвешиваемый внутри хольраума на полимерной распорке. Он представляет собой полый шарик диаметром 2 мм с оболочкой из полимера или бериллия и должен содержать внутри замороженное дейтериево-тритиевое топливо в количестве около 150 микрограммов. Когда лучи лазеров достигают заряда, стенки хольраума начинают испускать рентгеновское излучение, "испаряющее" оболочку. Мгновенное испарение внешнего слоя создаёт реактивную силу, направленную к центру. Под её действием заряд с топливом сжимается, при этом его температура должна достигнуть 100 млн. градусов, а давление внутри в 100 млрд. раз превысить атмосферное. Для сравнения - температура в центре Солнца составляет около 16 млн. градусов.
Полностью собранная мишень, включающая хольраум и держатель.
Лучи 192 лазеров, несущие в сумме энергию в 1.8 мегаджоуля, проникают через два отверстия в торцах цилиндра. Если термоядерная реакция в находящемся в центре шарике будет запущена, высвободится порядка 20 мегаджоулей энергии. Улучшение в дизайне мишени и лазерной системы сулит поднятие термоядерного "выхода" с одного взрыва до 45 МДж (больше не позволят особенности камеры), что эквивалентно подрыву 11 кг тротила.
Из анимации, показывающей работу NIF:
(a) первая миллиардная доля секунды (1 наносекунда) - лучи лазеров проникают в хольраум;
(b) в последующие 10 наносекунд они инициируют рентгеновское излучение;
(c) 15 наносекунд - начинается взрыв мишени;
(d) 20 наносекунд - достигается термоядерное зажигание.
Из-за схожести с процессами, протекающими при взрыве водородной бомбы, лазерный синтез находится в фокусе внимания разработчиков вооружений, особенно в связи с ограничениями ядерных испытаний международными соглашениями. Лишь часть экспериментов зарезервированы для исследований, имеющих отношение к энергетике, остальные связаны с оружием. Изучаются условия при взрыве в целях совершенствования вычислительных моделей действия термоядерного оружия.
Установка NIF была достроена к концу марта 2009 года и начала работу в июне. В январе 2010 года была получена энергия лазерного выстрела в 1 МДж, что в 30 раз превышает энергию, когда-либо достигавшуюся другими лазерами или их группами. В первых экспериментах энергии, да и мишени были меньше, причём в качестве последних применялись капсулы с газом. "Выстрел" мощностью 1 МДж стал кульминацией этих экспериментов, и в нём впервые использовалась полноразмерная капсула. Следующим шагом является переход к "термоядерным" топливным капсулам, покрытым изнутри замороженным до -253°С водородным слоем. Опыты с ними планируется начать летом 2010 года.
Click to viewЧто касается реактора на основе лазерного синтеза, то вспышки в центре камеры при должной частоте взрывов приведут к сильному разогреву её стенок, а это тепло можно конвертировать в электрический ток. Пока NIF способна производить один лазерный "выстрел" каждые 5 часов - больше не позволит разогрев оптической системы, приводящий к её деформации. Промышленная же система лазерного синтеза должна обеспечивать подрыв в центре установки по несколько топливных шариков в секунду. Кроме того, подаваемые "на вход" 1.8 МДж - это энергия уже сгенерированного ультрафиолетового лазерного импульса, до преобразования в УФ-излучение его энергия составляла 4 МДж, а его создание наверняка потребовало куда больших энергетических затрат.
Что касается заделов на будущее, то последние несколько лет во Франции ведётся строительство лазера LMJ, похожего по своим характеристикам на американский NIF. По оценкам специалистов, первые эксперименты по зажиганию мишени будут проведены на этом лазере с отставанием от США примерно на три года. Также в Европе было выделено финансирование на первый этап теоретических работ над проектом HiPER, который должен превзойти NIF по мощности.
Ссылки:
https://lasers.llnl.gov/ - сайт проекта
National Ignition Facility - фотосет на Flickr
Крупнейший лазер направил тераватты на кончик ядерной иглы ("Мембрана")