Крупнейший лазер направил тераватты на кончик ядерной иглы
Национальная спичка – так вольно возможно перевести наименование данной грандиозной лазерной установки. Пару дней назад было завершено её долгое строительство, увенчавшееся пробным пуском приблизительно на половине мощности. Скоро «спичка» в первый раз зажжёт термоядерные реакции в шарике-мишени.
На краткое мгновение на Земле покажется весьма маленькая «ручная» звезда.
10 марта 2009 года американская «Национальная установка зажигания» (National Ignition Facility — NIF) произвела рекордный световой импульс в 1,1 мегаджоуля. Наряду с этим лучи совокупности в сумме несли в 25 раза больше энергии, чем импульс любого другого лазера, заявил директор NIF Эдуард Мозес (Edward Moses).
Вспышка продолжалась миллиардные доли секунды и послужила салютом в честь завершения строительства одной из самых сложных экспериментальных установок человечества. NIF – наибольшая лазерная совокупность на планете — обязана наконец ответить на вопрос: вероятно ли на практике приручить термоядерные реакции при помощи лазерной разработке?
NIF есть составной частью известной Ливерморской лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), выглядящей с воздуха как будто бы маленький город. А на этом снимке мы видим строение фактически NIF, превосходящее по размеру футбольный стадион.Внизу: неспециализированная схема NIF.
Два протяжённых зала с лазерными установками (1 и 2) генерируют большой поток лучистой энергии, сводимый, в итоге, в 10-метровую камеру-сферу (3), в самом центре которой находится миниатюрная мишень (фото NIF и с сайта wikipedia.org).
Управляемый термоядерный синтез с инерциальным удержанием плазмы (Inertial confinement fusion — ICF) — альтернатива совокупностям с магнитным удержанием (это стеллараторы и токамаки).
И подобно тому, как известный токамак-гигант ITER, строительство которого интернациональное сообщество ведёт на данный момент во Франции, считается венцом в собственной области, NIF представляет собой самую замечательную и сложную установку для ICF.
Кстати, интенсивные работы в данной сфере ведутся в различных государствах приблизительно 30 лет, а конкретно проект NIF насчитывает уже 15-летнюю историю, из которых на возведение комплекса ушло 12 лет (и, увидим, приблизительно $4 миллиарда).
Познакомимся же с ним поближе.
Принцип розжига мишени и прямого сжатия. Справа: микросолнце, горящее в установке Nova — предшественнице NIF, созданной кроме этого в Ливерморской лаборатории, но намного раньше – в первой половине 80-ых годов XX века.Nova не достигла собственной цели – самоподдерживающейся цепной термоядерной реакции, разрешающей применять солидную часть тяжёлого водорода, заключённого в мишени.
Но она первой в последовательности похожих совокупностей близко подобралась к этому знаковому барьеру и обозначила последовательность неприятностей (магнитогидродинамическая нестабильность сжимающегося шарика), каковые и призвана решить установка NIF (иллюстрация NIF и фото с сайта wikipedia.org).
Фундаментальный принцип ICF, кроме этого именуемый лазерным синтезом, несложен. Сосредоточьте свет от множества замечательных лазеров на маленькой мишени из трития и смеси дейтерия. Мгновенное испарение внешнего слоя создаст реактивную силу, направленную к центру, что приведёт к сильному сжатию мишени и её разогреву до температуры запуска термоядерной реакции.
Причём реакция, начавшись в центре мишени, распространится наружу во внешние, более холодные её слои намного раньше (практически в наносекунды), чем целый сжатый материал разлетится в стороны. Потому этот способ удержания тёплой плазмы и назван инерциальным.
Но прошлые испытания продемонстрировали, что кроме того с солидным числом лазеров прямым облучением со всех сторон тяжело добиться равномерного сжатия мишени, а это – ключ ко всему.
Микроскопические неравномерности, практически неуловимые глазом, приводят к тому, что тёплая плазма «расплескивается», перед тем как ударная волна в шарика запустит цепную и устойчивую реакцию синтеза. А также в случае если кое-какие из трития и ядер дейтерия в момент для того чтобы «удара» сольются (а такое в прошлых опытах, в частности на установке Nova, уже происходило) – неспециализированная цель не будет достигнута.
NIF. Оцените масштаб установки (обратите внимание на людей на обоих снимках). Вверху: один из двух комнат с лазерами.
Всего в NIF мишень обстреливает 192 (!) ультрафиолетовых лазера. Эти лучи направляются в центр огромной целевой камеры (внизу), где особый держатель («карандаш» справа) фиксирует миниатюрный термоядерный заряд. На нижнем кадре кроме этого видна обслуживающая платформа, выдвинутая для осмотра совокупности (фотографии NIF).
Потому в ряде прошлых родственных установок, а сейчас и в самой NIF употребляется второй способ создания равномерного облучения мишени – так называемый непрямой привод (indirect drive). Содержится он в том, что лазеры направляют не в саму мишень с ядерным горючим, а в особый полый цилиндрик называющиеся hohlraum (его вы видите на снимке под заголовком), выполненный из золота, в которого на полимерной распорке и подвешен топливный шарик.
Замечательный импульс лазеров, попадающий через торцевые отверстия на внутренние стены цилиндра под совершенно верно вычисленным углом, превращает его в плазму, которая окутывает топливный шарик и успевает выдать замечательный импульс рентгеновского излучения, перед тем как разлетится прочь. Рентген и взрывает основную мишень, не хуже, а кроме того действеннее, чем взорвало бы её прямое попадание лазеров.
Устройство цилиндра hohlraum (полость, «безлюдная помещение» по-германски) и принцип опосредованного подрыва топливного шарика (иллюстрации NIF).
Благодаря мгновенному испарению внешнего слоя шарика последний сжимается так, что плотность вещества в нём подскакивает до 1 килограмма на миллилитр (другими словами окажется приблизительно в 100 раз выше плотности свинца). Температура же вырастает до 100 миллионов градусов – это выше, чем в центре звезды. Такова теория ICF.
Топливная капсула насчитывает в диаметре около 2 миллиметров и несёт в себе 150 микрограммов трития и смеси дейтерия. Капсула выполнена преимущественно из полимера, но в ней имеется узкий слой замороженного (при температуре 18 Кельвинов) льда из тяжёлых изотопов водорода.Абляционный слой снаружи капсулы возможно кроме этого полимерным, но как перспективный вариант исследователи в Ливерморской лаборатории собираются испытать и слой из бериллия либо сплава бериллий-медь. Кроме надежд на громадную стабильность сферы в момент сжатия, эти материалы предполагают возможность долгого хранения топливных шариков при комнатной температуре (в то время, когда водород в будет пребывать в виде газа) с замораживанием перед опытом (фото с сайта wikipedia.org).
Любопытно, что физики уже могут при помощи лазеров нагревать вещество точно до температуры центра Солнца, другими словами до 10 миллионов градусов. Отчего же для розжига реакции синтеза в дейтерий-тритиевой мишени необходимо поднять эту планку ещё на порядок?
Обстоятельство — давление. В солнечном ядре оно намного выше, чем в водородном шарике, потому и температурные условия для поддержания термоядерного синтеза в отечественной родной звезде – более мягкие.
Лазерная совокупность – основная гордость NIF. Так как к ней предъявлены замечательные требования. Достаточно заявить, что оборудование, занимающее десятки и десятки метров и весящее десятки тысячь киллограм, смонтировано в залах лаборатории с точностью в 100 микрометров.
Все 192 УФ-лазера, обрушивающие поток света на мишень в центре целевой камеры, начинаются от одного слабенького инфракрасного лазера, луч которого делится на множество потоков. Любой из них пробегает в общем итоге по 300 метров, проходя последовательно цепочку из огромных преобразователей частоты и лазерных усилителей.
Вверху: настраиваемое зеркало с 39 актуаторами, часть совокупности. В центре: 363-килограммовый кристалл дигидрогенфосфата калия – пример того, сколько новых разработок было нужно создать, дабы выстроить NIF. Таковой кристалл обучились выращивать за два месяца против двух лет при классических способах.
Пара же таких кристаллов были распилены для более чем 600 узких пластин преобразователей частоты. Они конвертируют исходный сонм ИК-лучей (с неспециализированной энергией до 4 мегаджоулей, кстати) в «финальные» 1,8 мегаджоуля УФ-потока.Не смотря на то, что КПД этого процесса низок – ультрафиолет значительно лучше испаряет мишень, потому, что инфракрасное излучение (если бы использовали его напрямую) без толку «исчезает» в тёплых электронах цели. Внизу: монтаж одного из модульных элементов лазерного усилителя (на базе огромных цельнолитых пластин из неодимового стекла), накачиваемого импульсными вспышками, питаемыми от армии конденсаторов (фотографии NIF).
Продолжительность каждого импульса образовывает порядка наносекунды — нескольких наносекунд, а согласование времени прихода всех лучей к мишени таково, что расхождение между самым «торопливым» и самым «опаздывающим» импульсом не превышает 30 пикосекунд.
Любой луч в конечном счёте попадает в строго отведённую ему точку на внутренней поверхности золотого контейнера, где создаёт «солнечный зайчик» диаметром 50 микрометров.
Не смотря на то, что основная цель NIF – довести до идеала принцип опосредованного «удара» по водородной мишени, совокупность способна перенастраиваться на прямое облучение топливных шариков без золотых контейнеров. В этом случае вместо создания двух световых конусов (как на этом рисунке) оптику перефокусируют так, что все ультрафиолетовые лучи сойдутся в центре камеры.
По большому счету же установка призвана проверить множество предположений мишеней, дабы определить – какая лучше подойдёт для гипотетической промышленной установки синтеза (иллюстрация NIF).
Примечательно, что на полной мощности установка генерирует лучи, каковые в сумме несут к цели 1,8 мегаджоуля энергии (так что сегодняшний запуск всех лазеров прошёл не на полной «тяге»).
Напомним, что в мире существует пара импульсных установок, по пиковой мощности сопоставимых с NIF, а также мало превосходящих американского «монстра», но их вспышки продолжаются пико- или фемтосекунды, другими словами они на три-шесть порядков меньше найфовских. А потому по суммарной энергии, заключённой в луче (либо в нескольких лучах, как в NIF), они значительно уступают «суперспичке».
Львиная часть от этих «1,8» преобразуется золотым цилиндром в рентген, но только часть X-лучей выясняется задействована в сжатии и разогреве топливного шарика.
Однако и этого количества энергии для запуска термоядерной реакции в полной мере должно хватить. И не смотря на то, что прямое облучение мишени принесло бы к ней больший энергетический поток, опосредованный способ даёт намного более равномерное облучение всех боков шарика, чего и получают учёные.
Принцип промышленной электростанции на базе лазерного синтеза. Одна мишень обязана стоить порядка 25 центов, информирует NIF, а генерировать порядка 300 мегаджоулей энергии (иллюстрация NIF).
В случае если цепная реакция в таком шарике будет запущена, он высвободит порядка 20 мегаджоулей энергии либо кроме того больше. Так что NIF будет первой установкой в собственном роде, на которой энергетический выход от реакции синтеза превзойдёт энергетические затраты на её розжиг.
Улучшение в дизайне лазерной системы и мишени сулит поднятие термоядерного «выхода» с одного взрыва до 45 мегаджоулей (больше не разрешат изюминке камеры), а установки для того чтобы же типа, но уже нового поколения смогут нарастить данный показатель ещё в два с лишним раза.
Держатель для мишени (самый кончик) и совокупность проверки её позиционирования (его точность должна быть равна долю от толщины людской волоса) в камере NIF. Внизу: выдвинута оптическая инспекционная совокупность, служащая для фокусировки и проверки ориентации каждого лазера (фотографии NIF).
А дальше? Дальше стоит поразмыслить о промышленных совокупностях для того чтобы рода, на которых взятую энергию возможно было бы преобразовать в электричество. Как?
Весьма легко.
Микроскопические солнца в центре камеры при должной частоте взрывов приведут к сильному разогреву её стенок, а это тепло возможно преобразовать в ток в хорошей паровой либо гелиевой турбине (некоторый теплоноситель, вероятно промежуточный, направляться разрешить войти в стенок сферической камеры).
NIF способна создавать один лазерный «выстрел» каждые 5 часов – больше не разрешит разогрев оптической совокупности, приводящий к её деформации. Но промышленная совокупность лазерного синтеза обязана подрывать в центре установки по паре топливных шариков в секунду.
Соответственно, потребуется более сложный дизайн лазерного комплекса с замечательным охлаждением, а ещё – «пушка», стреляющая на скорости в 10-100 м/с мишенями совершенно верно в центр камеры (это на данный момент мишень филигранно устанавливают без движений на финише огромной «иглы»).
Зал управления NIF. Компьютеры, собранные тут, контролируют целый комплекс по 60 тысячам «контрольных точек».
Это периферийные электронные совокупности, высоковольтное оборудование, актуаторы линз и многочисленных зеркал, датчики потоков энергии, камеры, лазерные усилители и разнообразные диагностические инструменты (фото NIF).
Всё это в том либо другом виде должно бытьпроверено на другой умелой установке по ICF — европейский проект Hiper (High Power Laser Energy Research), до тех пор пока существующий лишь на бумаге, обещает стать ещё более замечательным, чем NIF.
Сравнительно не так давно он взял финансирование на первый этап теоретических работ. Так что его удачи – в будущем, поскольку выстроят Hiper не раньше, чем через десятилетие. А вот первые опыты в NIF начнутся уже в этом июне.
Первый же опыт по запуску стабильной цепной реакции синтеза в данной огромной установке случится в 2010-2011 году, предвещает Мозес. Учитывая отставание по времени главного нынешнего соперника NIF по ядерному синтезу – токамака ITER (он получит где-то в 2016-2018 году) – возможно заявить, что Ливерморская лаборатория способна сорвать банк.
