Национальный центр зажигания - National Ignition Facility
Национальный фонд зажигания ( НИФ ), представляет собой большое лазерное основанное УТС с инерционным удержанием (МКФ) исследование устройства, расположенное в Национальной Лаборатории Лоуренса Ливермора в Ливерморе, штат Калифорния . NIF использует лазеры для нагрева и сжатия небольшого количества водородного топлива с целью инициирования реакций ядерного синтеза . Миссия NIF заключается в достижении термоядерного воспламенения с высоким приростом энергии , а также в поддержке технического обслуживания и проектирования ядерного оружия путем изучения поведения материи в условиях, характерных для ядерного оружия. NIF - самое большое и самое мощное устройство ICF, созданное на сегодняшний день, и самый большой лазер в мире.
Основная идея всех устройств ICF - быстро разрушить небольшое количество топлива, чтобы давление и температура достигли условий, соответствующих термоядерному процессу. NIF делает это, нагревая внешний слой небольшой пластмассовой сферы с помощью самого мощного в мире лазера . Энергия лазера настолько сильна, что заставляет пластик взрываться, сдавливая топливо внутри. Скорость этого процесса огромна: топливо достигает пика около 350 км / с, повышая плотность примерно с воды примерно до 100 раз, чем у свинца . Подача энергии и адиабатический процесс во время коллапса поднимают температуру топлива до сотен миллионов градусов. При этих температурах процессы термоядерного синтеза происходят очень быстро, прежде чем энергия, генерируемая в топливе, заставит его также взорваться наружу.
Строительство НИФ началось в 1997 году, но проблемы с управлением и технические задержки замедлили продвижение к началу 2000-х годов. После 2000 года прогресс был более плавным, но по сравнению с первоначальными оценками, НИФ был завершен на пять лет позже графика и был почти в четыре раза дороже, чем первоначально планировалось. Строительство было завершено 31 марта 2009 г. Министерством энергетики США , а 29 мая 2009 г. состоялась церемония открытия. Первые крупномасштабные эксперименты с лазерной мишенью были проведены в июне 2009 г., а первые «эксперименты по интегрированному зажиганию» мощности лазера) были объявлены завершенными в октябре 2010 года.
Полное раскрытие потенциала системы было длительным процессом, который проводился с 2009 по 2012 год. В течение этого периода в рамках Национальной кампании по зажиганию был проведен ряд экспериментов с целью достижения воспламенения сразу после того, как лазер достиг полной мощности. мощность, примерно во второй половине 2012 года. Кампания официально закончилась в сентябре 2012 года, примерно при 1 ⁄ 10 условий, необходимых для возгорания. С 2012 года НИФ использовался в основном для материаловедения и исследований оружия. В 2021 году, после многих лет исследований в области конструкции топливной мишени, NIF произвел 70% энергии лазера, побив рекорд, установленный в 1997 году реактором JET, на уровне 67%.
Описание
Основы ICF
В устройствах термоядерного синтеза с инерционным ограничением (ICF) используются драйверы для быстрого нагрева внешних слоев цели с целью ее сжатия. Мишень представляет собой небольшую сферическую таблетку, содержащую несколько миллиграммов термоядерного топлива, обычно это смесь дейтерия (D) и трития (T). Энергия лазера нагревает поверхность гранулы до образования плазмы , которая взрывается от поверхности. Оставшаяся часть мишени направляется внутрь, в конечном итоге сжимая ее до небольшой точки с чрезвычайно высокой плотностью. Быстрый выброс также создает ударную волну, которая распространяется к центру сжатого топлива со всех сторон. Когда он достигает центра топлива, небольшой объем нагревается и сжимается в большей степени. Когда температура и плотность этого маленького пятна поднимаются достаточно высоко, происходят реакции синтеза с высвобождением энергии.
В результате реакций синтеза высвобождаются частицы высокой энергии, некоторые из которых, в первую очередь альфа-частицы , сталкиваются с окружающим топливом высокой плотности и нагревают его дальше. Если этот процесс выделяет достаточно энергии в данной области, это также может вызвать плавление этого топлива. Однако топливо также теряет тепло из -за потерь рентгеновского излучения и горячих электронов, покидающих область топлива, поэтому скорость альфа-нагрева должна быть больше, чем эти потери, состояние, известное как бутстреппинг . При правильных общих условиях сжатого топлива - достаточно высокой плотности и температуре - этот процесс самонастройки приведет к цепной реакции , горящей наружу от центра, где ударная волна начала реакцию. Это состояние, известное как воспламенение , которое приведет к тому, что значительная часть топлива в мишени подвергнется плавлению и высвободит большое количество энергии.
На сегодняшний день в большинстве экспериментов ICF для нагрева мишени использовались лазеры. Расчеты показывают, что энергия должна подаваться быстро, чтобы ядро сжалось до его разборки. Энергия лазера также должна быть чрезвычайно равномерно сфокусирована по внешней поверхности цели, чтобы топливо сжалось в симметричную сердцевину. Хотя предлагались и другие драйверы, в частности, тяжелые ионы в ускорителях частиц , в настоящее время лазеры являются единственными устройствами с правильным сочетанием функций.
Драйвер лазера
NIF стремится создать одиночную вспышку пиковой мощности 500 тераватт (ТВт), которая достигает цели одновременно с множества направлений за несколько пикосекунд . Конструкция использует 192 канала луча в параллельной системе лазеров на фосфатном стекле, легированных неодимом, с ламповой накачкой .
Чтобы обеспечить однородность выхода лучей, исходный лазерный свет усиливается от одного источника в системе инжекционного лазера (ILS). Это начинается с маломощной вспышки инфракрасного света с длиной волны 1053 нм (нм), генерируемой оптоволоконным лазером, легированным иттербием, известным как Master Oscillator. Свет от главного генератора разделяется и направляется на 48 модулей предусилителя (PAM). Каждый PAM содержит двухступенчатый процесс усиления. Первый каскад представляет собой регенеративный усилитель, в котором импульс циркулирует от 30 до 60 раз, увеличивая энергию от наноджоулей до десятков миллиджоулей. Затем свет проходит четыре раза через цепь, содержащую усилитель из неодимового стекла, подобный (но намного меньшего) усилителю, используемому в основных линиях луча, увеличивая наноджоули света, создаваемые в главном генераторе, примерно до 6 джоулей. По данным Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), конструкция ПАМ была одной из основных проблем во время строительства. С тех пор усовершенствования конструкции позволили им превзойти свои первоначальные цели дизайна.
Основное усиление происходит в серии стеклянных усилителей, расположенных на одном конце лучей. Перед срабатыванием усилители сначала оптически накачиваются 7680 ксеноновыми лампами-вспышками (у PAM также есть свои собственные лампы-вспышки меньшего размера). Лампы питаются от конденсаторной батареи, которая накапливает в общей сложности 422 МДж (117 кВтч) электроэнергии. Когда волновой фронт проходит через них, усилители выделяют часть световой энергии, хранящейся в них, в луч. Для улучшения передачи энергии лучи четыре раза проходят через секцию основного усилителя с помощью оптического переключателя, расположенного в зеркальном резонаторе. В сумме эти усилители повышают исходные 6 Дж, обеспечиваемые PAM, до номинальных 4 МДж. Учитывая масштаб времени в несколько миллиардных долей секунды, пиковая УФ-мощность, передаваемая на цель, соответственно очень высока, 500 ТВт.
Вблизи центра каждого канала луча и занимают большую часть общей длины пространственные фильтры . Они состоят из длинных трубок с небольшими телескопами на конце, которые фокусируют лазерный луч до крошечной точки в центре трубки, где маска отсекает любой рассеянный свет за пределами фокусной точки. Фильтры гарантируют, что изображение луча, когда он достигает цели, является чрезвычайно однородным, удаляя любой свет, который был неправильно сфокусирован из-за несовершенства оптики выше по потоку. Пространственные фильтры были большим шагом вперед в работе ICF, когда они были представлены в лазере Cyclops , более раннем эксперименте LLNL.
Общая длина пути, по которому лазерный луч распространяется от одного конца до другого, включая переключатели, составляет около 1500 метров (4900 футов). Различные оптические элементы в каналах пучка обычно упаковываются в линейные заменяемые блоки (LRU), стандартизованные коробки размером с торговый автомат, которые можно выбросить из канала для замены снизу.
После того, как усиление завершено, свет переключается обратно в луч, где он проходит в дальний конец здания в целевую камеру . Целевая камера представляет собой составную стальную сферу диаметром 10 метров (33 фута) и весом 130 000 кг (290 000 фунтов). Непосредственно перед достижением целевой камеры свет отражается от различных зеркал на распределительном щите и в целевой области, чтобы поразить цель с разных направлений. Поскольку длина общего пути от главного генератора до цели различна для каждого из лучей, используется оптика для задержки света, чтобы гарантировать, что все они достигают центра в пределах нескольких пикосекунд друг от друга. NIF обычно направляет лазер в камеру сверху и снизу. Целевая зона и система подстанции могут быть переконфигурированы, перемещая половину из 48 лучей в альтернативные положения ближе к экватору целевой камеры.
Одним из последних шагов процесса перед достижением целевой камеры является преобразование инфракрасного (ИК) света с длиной волны 1053 нм в ультрафиолет (УФ) с длиной волны 351 нм в устройстве, известном как преобразователь частоты . Они сделаны из тонких листов (толщиной около 1 см), вырезанных из монокристалла дигидрофосфата калия . Когда свет с длиной волны 1053 нм (ИК) проходит через первый из двух этих листов, сложение частоты преобразует большую часть света в свет с длиной волны 527 нм (зеленый). При прохождении через второй лист частотная комбинация преобразует большую часть света с длиной волны 527 нм и оставшегося света с длиной волны 1053 нм в свет с длиной волны 351 нм (УФ). Инфракрасный (ИК) свет намного менее эффективен, чем УФ при нагревании мишеней, потому что инфракрасный свет сильнее взаимодействует с горячими электронами, которые поглощают значительное количество энергии и мешают сжатию. Процесс преобразования может достигать пиковой эффективности около 80 процентов для лазерного импульса, который имеет плоскую временную форму, но временная форма, необходимая для зажигания, значительно меняется в течение длительности импульса. Фактический процесс преобразования эффективен примерно на 50 процентов, что снижает поставленную энергию до номинальных 1,8 МДж.
Одним из важных аспектов любого исследовательского проекта ICF является обеспечение своевременного проведения экспериментов. Предыдущие устройства обычно должны были охлаждаться в течение многих часов, чтобы позволить лампам-вспышкам и лазерному стеклу восстановить свою форму после срабатывания (из-за теплового расширения), ограничивая использование одним или меньшим количеством срабатываний в день. Одна из целей NIF - сократить это время до менее четырех часов, чтобы обеспечить 700 увольнений в год.
НИФ и МКФ
Название National Ignition Facility относится к цели воспламенения термоядерного топлива, что является долгожданным порогом в исследованиях термоядерного синтеза. В существующих (не связанных с оружием) термоядерных экспериментах тепло, производимое реакциями термоядерного синтеза, быстро уходит из плазмы, а это означает, что для поддержания протекания реакций необходимо постоянно применять внешний нагрев. Воспламенение относится к точке, в которой энергия, выделяемая в протекающих в настоящее время реакциях термоядерного синтеза, достаточно высока, чтобы поддерживать температуру топлива против этих потерь. Это вызывает цепную реакцию, которая позволяет большей части топлива подвергнуться ядерному сгоранию . Зажигание считается ключевым требованием, если термоядерная энергия когда-либо станет практичной.
NIF разработан в первую очередь для использования метода непрямого привода , при котором лазер нагревает небольшой металлический цилиндр, а не капсулу внутри него. Тепло заставляет цилиндр, известный как hohlraum (по-немецки «полая комната» или полость), повторно излучать энергию в виде интенсивных рентгеновских лучей , которые более равномерно распределены и симметричны, чем исходные лазерные лучи. Экспериментальные системы, включая лазеры OMEGA и Nova , подтвердили этот подход до конца 1980-х годов. В случае NIF большая передаваемая мощность позволяет использовать гораздо более крупную цель; базовая конструкция таблеток имеет диаметр около 2 мм, охлаждена до температуры около 18 кельвинов (-255 ° C) и покрыта слоем замороженного топлива DT. Внутри полости также содержится небольшое количество газа DT.
В типичном эксперименте лазер будет генерировать 3 МДж инфракрасной лазерной энергии из возможных 4. Приблизительно 1,5 МДж из этой энергии остается после преобразования в УФ, и около 15 процентов этой энергии теряется при преобразовании рентгеновских лучей в хохльрауме. Около 15 процентов полученного рентгеновского излучения, около 150 кДж, будет поглощаться внешними слоями мишени. Связь между капсулой и рентгеновскими лучами происходит с потерями, и в конечном итоге только около 10-14 кДж энергии выделяется в самом топливе.
Ожидается, что в результате направленного внутрь сжатия топливо сжимается в центре мишени до плотности около 1000 г / см 3 (или 1000000 кг / м 3 ); для сравнения, свинец имеет нормальную плотность около 11 г / см 3 (11340 кг / м 3 ). Давление эквивалентно 300 миллиардам атмосфер.
На основе моделирования ожидалось, что при этом будет выделено около 20 МДж энергии термоядерного синтеза, в результате чего общий выигрыш в энергии термоядерного синтеза, обозначенный Q , составит примерно 15 (выходная энергия термоядерного синтеза / входящая энергия УФ-лазера). Ожидается, что усовершенствования как в лазерной системе, так и в конструкции хольраума улучшат энергию, поглощаемую капсулой, примерно до 420 кДж (и, таким образом, возможно, от 40 до 50 в самом топливе), что, в свою очередь, может генерировать до 100-150 МДж энергии. термоядерная энергия. Однако базовая конструкция позволяет выделять максимум около 45 МДж энергии термоядерного синтеза из-за конструкции целевой камеры. Это эквивалентно взрыву около 11 кг тротила .
Эти выходные энергии все еще меньше, чем 422 МДж входной энергии, необходимой для зарядки конденсаторов системы, питающих лазерные усилители. Чистый КПД NIF (выходная энергия УФ-лазера, деленная на энергию, необходимую для накачки лазеров от внешнего источника) будет менее одного процента, а общий КПД от стенки до термоядерного синтеза не превышает 10% при максимальном значении. представление. Для экономичного термоядерного реактора потребовалось бы, чтобы выходная мощность термоядерного синтеза была по крайней мере на порядок больше, чем эта входная мощность. В коммерческих лазерных термоядерных системах будут использоваться гораздо более эффективные твердотельные лазеры с диодной накачкой , где была продемонстрирована эффективность подключения к розетке на уровне 10 процентов, а ожидаемая эффективность составляет 16–18 процентов при разрабатываемых передовых концепциях.
Другие концепции
NIF также изучает новые типы целей. В предыдущих экспериментах обычно использовались пластиковые абляторы , обычно полистирол (СН). Мишени NIF также создаются путем покрытия пластиковой формы слоем напыленного бериллия или бериллиево-медных сплавов с последующим окислением пластмассы по центру. По сравнению с традиционными пластиковыми мишенями, бериллиевые мишени обеспечивают более высокую общую эффективность имплозии для режима непрямого возбуждения, когда поступающая энергия имеет форму рентгеновских лучей.
Хотя NIF изначально разрабатывался как устройство непрямого привода, энергия в лазере достаточно высока, чтобы его можно было использовать в качестве системы прямого привода , когда лазер светит прямо на цель. Даже на длинах волн УФ-излучения мощность, выдаваемая NIF, по оценкам, более чем достаточна, чтобы вызвать возгорание, что приводит к увеличению энергии термоядерного синтеза примерно в 40 раз, что несколько выше, чем у системы непрямого привода. Более однородная схема расположения пучка, подходящая для экспериментов с прямым приводом, может быть организована посредством изменений в распределительном устройстве, которые перемещают половину линий пучка в места ближе к середине целевой камеры.
С помощью масштабированных имплозий на лазере OMEGA и компьютерного моделирования было показано, что NIF также должен быть способен зажигать капсулу с использованием так называемой конфигурации полярного прямого привода (PDD), когда цель облучается непосредственно лазером, но только сверху и снизу, без изменений в компоновке канала NIF. В этой конфигурации мишень страдает либо «блинной», либо «сигарной» анизотропией при имплозии, что снижает максимальную температуру в ядре.
Другие цели, называемые мишенями сатурна , специально разработаны для уменьшения анизотропии и улучшения имплозии. Они имеют небольшое пластиковое кольцо вокруг «экватора» цели, которое при попадании лазера быстро превращается в плазму. Часть лазерного света преломляется через плазму обратно к экватору цели, выравнивая нагрев. Считается, что при использовании этих мишеней в NIF возможно зажигание с усилением чуть более тридцати пяти раз, что дает почти такие же хорошие результаты, как и при полностью симметричном подходе с прямым приводом.
История
Импетус
История Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) с программой ICF начинается с физика Джона Наколлса , который начал рассматривать проблему после совещания 1957 года по мирному использованию ядерного оружия, организованного Эдвардом Теллером в LLNL. Во время этих встреч впервые возникла идея, позже известная как PACER . PACER предполагал взрыв небольших водородных бомб в больших пещерах для генерации пара, который будет преобразован в электроэнергию. Выявив несколько проблем с этим подходом, Наколлс заинтересовался пониманием того, как можно сделать небольшую бомбу, которая все же будет генерировать чистую положительную мощность.
Типичная водородная бомба состоит из двух частей: бомбы деления на основе плутония, известной как первичная , и цилиндрической конструкции термоядерного топлива, известной как вторичная . Первичная обмотка испускает значительное количество рентгеновских лучей, которые задерживаются внутри корпуса бомбы, нагревают и сжимают вторичную обмотку до тех пор, пока она не воспламенится. Вторичный состоит из топлива на основе дейтерида лития , которому для начала реакции требуется внешний источник нейтронов. Обычно это небольшая плутониевая «свеча зажигания» в центре топлива. Идея Наколлса заключалась в том, чтобы исследовать, насколько маленьким можно сделать вторичную обмотку и как это повлияет на энергию, необходимую от первичной обмотки, чтобы вызвать возгорание. Самым простым изменением является замена топлива LiD на газ DT, устраняя необходимость в свече зажигания. На данный момент не существует теоретического наименьшего размера - по мере того, как вторичная обмотка стала меньше, увеличилось и количество энергии, необходимое для воспламенения. На уровне миллиграммов уровни энергии начали приближаться к тем, которые доступны через несколько известных устройств.
К началу 1960-х Наколлс и несколько других конструкторов оружия разработали основные принципы подхода ICF. Топливо DT будет помещено в небольшую капсулу, предназначенную для быстрой абляции при нагревании и, таким образом, максимального сжатия и образования ударных волн. Эта капсула будет помещена в специально сконструированный корпус, хольраум, который действует аналогично кожуху бомбы. Однако хольраум не нужно было нагревать рентгеновскими лучами; можно было использовать любой источник энергии, если он доставляет достаточно энергии, чтобы заставить хольраум нагреваться и начать испускать рентгеновские лучи. В идеале источник энергии должен быть расположен на некотором расстоянии, чтобы механически изолировать оба конца реакции. В качестве источника энергии можно использовать небольшую атомную бомбу, как в водородной бомбе, но в идеале следует использовать меньшие источники энергии. Используя компьютерное моделирование, команды подсчитали, что для генерации луча в 1 МДж потребуется около 5 МДж энергии от первичной обмотки. Для сравнения: малая первичная обмотка деления мощностью 0,5 кт высвобождает в общей сложности 2 миллиона МДж.
Программа ICF начинается
Пока Nuckolls и LLNL работали над концепциями на основе хольраума, бывший дизайнер оружия Рэй Киддер работал над концепцией прямого привода, используя большое количество лазерных лучей для равномерного нагрева целевой капсулы. В начале 1970-х Киддер основал KMS Fusion, чтобы напрямую коммерциализировать эту концепцию. Это вызвало ожесточенное соперничество между Киддером и оружейными лабораториями. Ранее игнорировавшаяся ICF стала горячей темой, и большинство лабораторий вскоре начали собственные усилия по ICF. Вначале LLNL решила сконцентрироваться на стеклянных лазерах, в то время как другие учреждения изучали газовые лазеры с использованием углекислого газа (например, ANTARES, Национальная лаборатория Лос-Аламоса ) или KrF (например, лазер Nike , Военно-морская исследовательская лаборатория ).
На этих ранних этапах разработки большая часть понимания процесса синтеза была результатом компьютерного моделирования, в первую очередь LASNEX . LASNEX значительно упростил реакцию на двумерное моделирование, что было все, что было возможно, учитывая количество вычислительных мощностей в то время. Согласно LASNEX, лазерные драйверы в диапазоне кДж должны обладать необходимыми свойствами для достижения низкого усиления, что было в пределах современного уровня техники. Это привело к созданию лазерного проекта Шивы, который был завершен в 1977 году. Вопреки предсказаниям, Шива далек от своих целей, и достигнутые плотности были в тысячи раз меньше, чем предполагалось. Это было связано с проблемами, связанными с тем, как лазер доставлял тепло к цели, которая доставляла большую часть своей энергии электронам, а не всей массе топлива. Дальнейшие эксперименты и моделирование показали, что этот процесс можно значительно улучшить, используя более короткие длины волн лазерного света.
Дальнейшие обновления программ моделирования с учетом этих эффектов предсказали новую конструкцию, которая обеспечит воспламенение. Эта новая система получила название 20-лучевого лазера Nova мощностью 200 кДж . На начальном этапе строительства Наколлс обнаружил ошибку в своих расчетах, а обзор, проведенный в октябре 1979 года под председательством Джона Фостера-младшего из TRW, подтвердил, что Nova никак не сможет достичь возгорания. Затем конструкция Nova была преобразована в 10-лучевую конструкцию меньшего размера, в которой добавлено преобразование частоты для света с длиной волны 351 нм, что повысило эффективность связи. Во время работы Nova смогла выдать около 30 кДж энергии ультрафиолетового лазера, что примерно вдвое меньше, чем предполагалось изначально, в первую очередь из-за ограничений, установленных оптическим повреждением оптики окончательной фокусировки. Даже на этих уровнях было ясно, что прогнозы производства термоядерного синтеза все еще ошибочны; даже при имеющихся ограниченных мощностях выходы термоядерного синтеза были намного ниже прогнозов.
Галит и Центурион
С каждым экспериментом прогнозируемая энергия, необходимая для достижения воспламенения, возрастала, и было неясно, были ли прогнозы после Новы более точными, чем предыдущие. Департамент энергетики (DOE) решил , что прямое экспериментирование лучший способ решить эту проблему, и в 1978 году они начали серию подземных экспериментов на полигоне в Неваде , которые использовали небольшие ядерные бомбы , чтобы осветить цели МКФ. Эти тесты были известны как Halite или Centurion, в зависимости от того, в какой лаборатории они проводились, LLNL или LANL.
Каждый тест позволял одновременно освещать множество целей, что позволяло им проверять количество необходимой энергии рентгеновского излучения, размещая цели на разных расстояниях от бомбы. Другой вопрос заключался в том, насколько большой должна быть топливная сборка, чтобы топливо могло саморазогреваться в результате реакций термоядерного синтеза и, таким образом, достичь воспламенения. Первоначальные данные были доступны к середине 1984 года, и испытания прекратились в 1988 году. Во время этих испытаний впервые было достигнуто воспламенение, но количество энергии и размер топливных мишеней, необходимых для воспламенения, были намного выше, чем предполагалось. В этот же период начались эксперименты на Nova с использованием аналогичных мишеней, чтобы понять их поведение при лазерном освещении, что позволяет напрямую сравнивать их с результатами, полученными при испытаниях бомбы.
Данные испытаний показали, что для воспламенения потребуется около 10 МДж энергии рентгеновского излучения. Если эта энергия подается инфракрасным лазером в хольраум, как в Nova или NIF, это соответствует исходной энергии лазера порядка 100 МДж, что далеко за пределами досягаемости существующих технологий.
В результате в истеблишменте ICF разгорелась большая дискуссия. Одна группа предложила попытаться создать лазер такой мощности; Леонардо Маскерони и Клод Фиппс разработали новый тип лазера на фтористом водороде , накачиваемый высокоэнергетическими электронами , способными достигать предела в 100 МДж. Другие использовали те же данные и новые версии своего компьютерного моделирования, основанные на этих экспериментах, которые предполагали, что тщательное формирование лазерного импульса и использование большего количества лучей, распространяемых более равномерно, показали, что зажигание и чистый выигрыш энергии могут быть достигнуты с помощью лазера от 5 до 10 МДж. .
Эти результаты побудили Министерство энергетики запросить специальный военный объект ICF, который они назвали «Лабораторный объект микроплавления» (LMF). LMF будет использовать драйвер порядка 10 МДж, обеспечивая выход термоядерного синтеза от 100 до 1000 МДж. Обзор этой концепции Национальной академией наук в 1989/90 г. показал, что LMF - это слишком большой шаг, чтобы сделать его сразу, и что вопросы фундаментальной физики все еще нуждаются в исследовании. Они рекомендовали дальнейшие эксперименты, прежде чем пытаться перейти на систему 10 МДж. Тем не менее, авторы знали о потенциале более высоких требований к энергии и отмечали: «Действительно, если бы действительно выяснилось, что для зажигания и усиления требовался драйвер мощностью 100 МДж, пришлось бы переосмыслить весь подход и обоснование для этого. МКФ ".
Обновление LMF и Nova
Строительство LMF было оценено примерно в 1 миллиард долларов. Изначально LLNL представила проект с драйверным лазером 5 МДж, 350 нм (УФ), который мог бы достичь выхода около 200 МДж, чего было достаточно для достижения большинства целей LMF. Стоимость программы оценивалась примерно в 600 миллионов долларов в 1989 финансовом году и еще 250 миллионов долларов для ее модернизации до полной 1000 МДж, если необходимо, и вырастет до более чем 1 миллиарда долларов, если LMF будет соответствовать всем целям, запрошенным Министерством энергетики. . Другие лаборатории также предложили свои собственные конструкции LMF с использованием других технологий.
Обзор Национальной академии наук привел к переоценке этих планов, и в июле 1990 года LLNL ответила обновлением Nova, в котором будет повторно использоваться большая часть существующего объекта Nova вместе с прилегающим объектом Shiva. Полученная система будет иметь гораздо меньшую мощность, чем концепция LMF, с драйвером около 1 МДж. Новый дизайн включал в себя ряд функций, которые продвинули уровень техники в секции драйверов, в том числе многопроходную конструкцию в основных усилителях и 18 каналов луча (вместо 10), которые были разделены на 288 "бимлетов" при входе. целевой области с целью улучшения равномерности освещения. Планы предусматривали установку двух основных рядов лазерных лучей, один в существующей комнате лучей Новы, а другой в старом здании Шивы по соседству, простирающихся через его лазерный отсек и целевую зону в модернизированную целевую зону Новы. Лазеры доставляют около 500 ТВт за импульс длительностью 4 нс. Ожидается, что модернизация позволит новой Nova производить термоядерную энергию от 2 до 10 МДж. По первоначальным оценкам, сделанным в 1992 году, стоимость строительства составляет около 400 миллионов долларов, причем строительство будет вестись с 1995 по 1999 год.
NIF появляется
В течение этого периода окончание холодной войны привело к резким изменениям в финансировании обороны и приоритетах. Поскольку потребность в ядерном оружии была значительно уменьшена, а различные соглашения об ограничении вооружений привели к сокращению количества боеголовок, США столкнулись с перспективой потери поколения конструкторов ядерного оружия, способных поддерживать существующие запасы или разрабатывать новое оружие. В то же время был достигнут прогресс в отношении того, что станет Договором о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний , который запретил бы все испытания на критичность . Это значительно затруднило бы надежную разработку новых поколений ядерного оружия.
Из этих изменений возникла Программа управления запасами и управления ими (SSMP), которая, среди прочего, включала средства на разработку методов проектирования и создания ядерного оружия, которое будет работать без взрывных испытаний. В ходе серии встреч, которые начались в 1995 году, между лабораториями было заключено соглашение о разделении усилий по SSMP. Важной частью этого было бы подтверждение компьютерных моделей с использованием малопроизводительных экспериментов ICF. Обновление Nova было слишком маленьким, чтобы использовать его для этих экспериментов, и в 1994 году был изменен дизайн, получивший название NIF. Ориентировочная стоимость проекта осталась чуть более 1 миллиарда долларов и завершилась в 2002 году.
Несмотря на соглашение, большая стоимость проекта в сочетании с завершением аналогичных проектов в других лабораториях вызвала ряд весьма критических комментариев со стороны ученых из других оружейных лабораторий, в частности Sandia National Laboratories . В мае 1997 года ученый-термоядер Sandia Рик Спилман публично заявил, что NIF «практически не проводила внутреннюю экспертную оценку по техническим вопросам» и что «Ливермор, по сути, выбрал группу для проверки самих себя». Отставной менеджер Sandia, Боб Пуэрифой, был даже более резким, чем Спилман: «NIF бесполезен ... его нельзя использовать для поддержания запасов, точка».
Противоположную точку зрения выразил Виктор Рейс, помощник министра обороны Министерства энергетики и главный архитектор программы управления запасами. Рейс сообщил комитету Палаты представителей США по вооруженным силам в 1997 году, что НИФ «впервые в лабораторных условиях был разработан для создания условий температуры и плотности вещества, близких к тем, которые возникают при взрыве ядерного оружия. поведение вещества и передача энергии и излучения в этих условиях является ключом к пониманию основ физики ядерного оружия и прогнозированию его характеристик без подземных ядерных испытаний. Две группы JASON, в состав которых входят научно-технические эксперты по национальной безопасности, заявили что НИФ является наиболее ценным с научной точки зрения из всех программ, предлагаемых для научно обоснованного управления запасами.
Несмотря на первоначальную критику, Сандиа, а также Лос-Аламос оказали поддержку в разработке многих технологий NIF, и обе лаборатории позже стали партнерами NIF в Национальной кампании зажигания.
Построение НИФ
Работа над NIF началась с демонстратора однолучевого канала Beamlet. Beamlet работала с 1994 по 1997 год и была полностью успешной. Затем он был отправлен в Национальные лаборатории Сандиа в качестве источника света в их Z-машине . Затем последовал полноразмерный демонстрационный стенд в AMPLAB, который начал работу в 1997 году. Официальная закладка фундамента на главной площадке NIF состоялась 29 мая 1997 года.
В то время Министерство энергетики оценивало, что НИФ будет стоить примерно 1,1 миллиарда долларов и еще 1 миллиард долларов на соответствующие исследования и будет завершен уже в 2002 году. Позже, в 1997 году, Министерство энергетики утвердило дополнительное финансирование в размере 100 миллионов долларов и перенесло дату начала работы. в 2004 году. Еще в 1998 году в публичных документах LLNL говорилось, что общая цена составляла 1,2 миллиарда долларов, при этом первые восемь лазеров были введены в эксплуатацию в 2001 году и полностью завершены в 2003 году.
Один только физический масштаб объекта усложнял строительный проект. К тому времени, когда в 2001 году было построено «обычное сооружение» (оболочка для лазера), было выкопано более 210 000 кубических ярдов грунта, было залито более 73 000 кубических ярдов бетона, было уложено 7600 тонн арматурной арматуры. размещено и возведено более 5000 тонн металлоконструкций. Помимо огромных размеров, создание NIF сопряжено с рядом уникальных проблем. Чтобы изолировать лазерную систему от вибрации, фундамент каждого лазерного отсека был сделан независимым от остальной конструкции. Плиты толщиной три фута, длиной 420 футов и шириной 80 футов, каждая из которых содержит 3800 кубических ярдов бетона, требовали непрерывной заливки бетона для достижения своих технических характеристик.
Были и неожиданные проблемы, с которыми нужно было справиться: в ноябре 1997 года во время погодного фронта Эль-Ниньо за два часа выпало два дюйма дождя, затопив территорию НИФ 200 000 галлонов воды всего за три дня до запланированной заливки бетонного фундамента. Земля была настолько пропитана, что каркас подпорной стены просел на шесть дюймов, что вынудило команду разбирать и собирать ее, чтобы заливать бетон. Строительство было остановлено в декабре 1997 года, когда на стройплощадке были обнаружены кости мамонта возрастом 16 тысяч лет. Палеонтологи были приглашены для удаления и сохранения костей, и через четыре дня строительство возобновилось.
Также необходимо было преодолеть множество научно-исследовательских, технологических и инженерных проблем, таких как сотрудничество с оптической промышленностью для создания высокоточного производства крупногабаритной оптики для поставки лазерного стекла для оптики NIF размером 7500 метров. Чтобы противостоять высокоэнергетическим лазерам NIF, требовались современные методы измерения, нанесения покрытий и отделки оптики, а также методы усиления лазерных лучей до необходимых уровней энергии. Стекло непрерывной заливки, быстрорастущие кристаллы, инновационные оптические переключатели и деформируемые зеркала были среди технологических инноваций, разработанных для NIF.
Сандия, имеющая большой опыт в области импульсной подачи энергии, спроектировала батареи конденсаторов, используемых для питания импульсных ламп, завершив строительство первого блока в октябре 1998 года. К всеобщему удивлению, в модулях импульсной стабилизации мощности (PCM) произошли отказы конденсаторов, что привело к взрывам. Это потребовало перепроектирования модуля для удержания мусора, но поскольку бетонная конструкция зданий, в которых они находятся, уже была залита, новые модули оставались настолько плотно упакованными, что не было возможности проводить техническое обслуживание на месте. Последовала еще одна модернизация, на этот раз позволившая извлекать модули из отсеков для обслуживания. Продолжающиеся проблемы такого рода еще больше задержали начало эксплуатации проекта, и в сентябре 1999 года в обновленном отчете Министерства энергетики было сказано, что NIF потребуется еще 350 миллионов долларов, а завершение будет перенесено на 2006 год.
Re-baseline и отчет GAO
В течение всего этого периода о проблемах с НИФ не сообщалось по цепочке управления. В 1999 году тогдашний министр энергетики Билл Ричардсон сообщил Конгрессу, что проект NIF идет в срок и в рамках бюджета, после информации, переданной ему руководством NIF. В августе того же года выяснилось, что руководство NIF ввело Ричардсона в заблуждение, и на самом деле ни одно из утверждений не было близко к правде. Как позже отметит GAO: «Кроме того, бывший директор лаборатории по лазерам, который курировал NIF и все другие виды лазерной деятельности, заверил руководителей лаборатории, DOE, университет и Конгресс в том, что проект NIF получил адекватное финансирование и укомплектован персоналом и продолжается. стоимость и график, даже несмотря на то, что он был проинформирован о четких и растущих доказательствах того, что у NIF есть серьезные проблемы ". Позже Ричардсон прокомментировал: «Я очень беспокоился об управлении этим объектом ... плохое управление настигло хорошую науку. Я не хочу, чтобы это когда-либо повторилось». Целевая группа Министерства энергетики, представившая отчет Ричардсону в конце января 2000 года, резюмировала, что «организации проекта NIF не смогли реализовать процедуры и процессы управления программами и проектами, соизмеримые с крупным проектом исследований и разработок ... [и что] ... никто не получает проходной балл по менеджменту НИФ: ни Управление программ обороны Министерства энергетики, ни Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, ни Калифорнийский университет ».
Учитывая бюджетные проблемы, Конгресс США запросил независимую проверку Главным бухгалтерским управлением (GAO). В августе 2000 года они вернули крайне критический отчет, в котором говорилось, что бюджет, вероятно, составляет 3,9 миллиарда долларов, включая НИОКР, и что строительство объекта вряд ли будет завершено в срок. В отчете « Сбои в управлении и надзоре привели к значительному перерасходу средств и задержкам в графике », были выявлены проблемы управления, связанные с перерасходом средств, а также критиковалась программа за то, что она не включила в бюджет значительную сумму денег, выделенную на изготовление целевых показателей, в том числе в операционные. стоит вместо разработки.
Из-за технических задержек и проблем с управлением проектом в 2000 году Министерство энергетики начало всестороннюю «Проверку обоснования проекта национального центра зажигания», в ходе которой был критически проанализирован проект, выявлены проблемные области и скорректирован график и бюджет для обеспечения его завершения. . Джон Гордон , национальный администратор по ядерной безопасности, заявил: «Мы подготовили подробную восходящую стоимость и график для завершения проекта NIF ... Независимый обзор подтверждает нашу позицию о том, что группа управления NIF добилась значительного прогресса и решила ранее существовавшие проблемы». В отчете была пересмотрена их бюджетная смета до 2,25 миллиарда долларов, не включая соответствующие НИОКР, в результате чего общая сумма была увеличена до 3,3 миллиарда долларов, а дата завершения была перенесена на 2006 год, и первые строки были введены в эксплуатацию в 2004 году. Отчет о последующих действиях в следующем году включал все из Эти статьи увеличивают бюджет до 4,2 миллиарда долларов, а срок завершения - примерно в 2008 году.
Прогресс после переназначения
В сентябре 1999 года над проектом NIF взялась новая управленческая команда, которую возглавил Джордж Миллер (который позже стал директором LLNL в 2006-2011 годах), который был назначен исполняющим обязанности заместителя директора по лазерам. Эд Мозес , бывший руководитель программы лазерного разделения изотопов на атомных парах (AVLIS) в LLNL, стал менеджером проекта NIF. После переназначения руководство NIF получило много положительных отзывов, и проект соответствовал бюджетам и графикам, утвержденным Конгрессом. В октябре 2010 года проект был назван «Проектом года» Институтом управления проектами , который назвал NIF «блестящим примером того, как правильно примененное передовое управление проектами может объединить глобальные команды для эффективной реализации проекта такого масштаба и важности. . "
Недавние обзоры проекта были положительными, как правило, в соответствии с графиками и бюджетами после перебазирования GAO. Однако сохранялись опасения по поводу способности NIF достичь возгорания, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. Независимый обзор, проведенный JASON Defense Advisory Group, в целом положительно оценил перспективы NIF в долгосрочной перспективе, но пришел к выводу, что «научные и технические проблемы в такой сложной деятельности предполагают, что успех первых попыток воспламенения в 2010 году, хотя и возможен. вряд ли". Группа предложила внести ряд изменений в график завершения, чтобы как можно скорее вывести NIF на полную проектную мощность, пропустив период тестирования на более низких мощностях, которые, по их мнению, не имели большого значения.
Ранние испытания и завершение строительства
В мае 2003 года NIF добился «первого света» на пучке из четырех лучей, создав импульс ИК-излучения 10,4 кДж в одном канале. В 2005 году были запущены первые восемь лучей (полный пучок), произведя 153 кДж инфракрасного света, что затмило OMEGA как лазер с самой высокой энергией (на импульс) на планете. К январю 2007 года все LRU в Главной Осцилляторной Комнате (MOOR) были завершены, и компьютерный зал был установлен. К августу 2007 года было завершено и введено в эксплуатацию 96 лазерных линий, и «общая энергия инфракрасного излучения составила более 2,5 мегаджоулей. Это более чем в 40 раз больше, чем обычно работал лазер Nova в то время, когда он был самым большим лазером в мире».
26 января 2009 г. был установлен последний сменный блок линии (LRU), завершивший один из последних основных этапов проекта строительства НИФ и означающий, что строительство было неофициально завершено. 26 февраля 2009 г. НИФ впервые направил все 192 лазерных луча в прицельную камеру. 10 марта 2009 года NIF стал первым лазером, преодолевшим мегаджоульный барьер, исполнив все 192 луча и доставив 1,1 МДж ультрафиолетового света, известного как 3ω (от генерации третьей гармоники ), к центру камеры-мишени в виде сформированного импульса зажигания. Основной лазер выдавал 1,952 МДж инфракрасной энергии.
Операции
29 мая 2009 года NIF был посвящен церемонии, на которой присутствовали тысячи человек, в том числе губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер и сенатор Дайанн Файнштейн . Первые лазерные выстрелы в мишень из хольраума были произведены в конце июня 2009 года.
Подготовка к основным экспериментам
28 января 2010 года предприятие опубликовало документ, в котором сообщается о доставке импульса 669 кДж в золотой хольраум , устанавливая новые рекорды по доставке мощности лазером и приводя к анализу, предполагающему, что предполагаемые помехи от генерируемой плазмы не будут проблемой. в воспламенении реакции синтеза. Из-за размера тестовых хольраумов взаимодействие лазера и плазмы привело к образованию плазменно-оптических решеток, действующих как крошечные призмы, которые создавали симметричный рентгеновский драйв на капсуле внутри хольраума.
После постепенного изменения длины волны лазера ученые смогли равномерно сжать сферическую капсулу и нагреть ее до 3,3 миллиона кельвинов (285 эВ). Капсула содержала криогенно охлажденный газ, заменяющий дейтериевую и тритиевую топливные капсулы, которые будут использоваться в дальнейшем. Руководитель группы физики плазмы доктор Зигфрид Гленцер сказал, что они показали, что могут поддерживать точные слои топлива, необходимые в лаборатории, но еще не в лазерной системе.
По состоянию на январь 2010 года NIF может достигать 1,8 мегаджоулей. Гленцер сказал, что эксперименты с чуть более крупными хольраумами, содержащими готовые для плавления топливные гранулы, начнутся до мая 2010 года, постепенно увеличиваясь до 1,2 мегаджоулей, что, согласно расчетам, достаточно для воспламенения. Но сначала камеру-мишень нужно было оборудовать экранами, чтобы блокировать нейтроны, которые может вызвать реакция термоядерного синтеза. 5 июня 2010 г. группа НИФ впервые за шесть месяцев обстреляла мишень из лазеров; перестройка лучей произошла в конце июня в рамках подготовки к дальнейшей работе на высоких энергиях.
Национальная кампания зажигания
Когда основное строительство было завершено, NIF начал работу над «Национальной кампанией по возгоранию» (NIC), целью которой является достижение возгорания. К этому времени экспериментаторы были настолько уверены в том, что воспламенение произойдет, что в научных журналах стали появляться статьи о том, что об этом будет объявлено лишь вскоре после публикации статьи. Scientific American начал обзорную статью 2010 года с заявления: «Возгорание близко. Через год или два ...»
Первое испытание было проведено 8 октября 2010 г. при мощности чуть более 1 МДж. Однако ряд проблем замедлили продвижение к лазерным энергиям уровня зажигания в диапазоне 1,4–1,5 МДж.
Первоначально прогресс замедлился из-за возможности повреждения от перегрева из-за концентрации энергии на оптических компонентах, превышающей все попытки, предпринимавшиеся ранее. Другие проблемы включали проблемы с расслоением топлива внутри мишеней и обнаружение незначительного количества пыли на поверхности капсулы.
По мере увеличения мощности и использования мишеней все большей сложности возникла другая проблема, которая вызвала асимметричный взрыв. В конечном итоге это было связано с небольшим количеством водяного пара в целевой камере, который замерз к окнам на концах хольраумов. Это было решено путем перепроектирования хольраума с двумя слоями стекла с обоих концов, что фактически привело к созданию штормового окна. Стивен Кунин, заместитель министра энергетики США по науке, посетил лабораторию для получения обновленной информации о сетевой карте 23 апреля, на следующий день после того, как проблема с окнами была объявлена решенной. 10 марта он охарактеризовал NIC как «цель первостепенной важности для Министерства энергетики» и заявил, что прогресс на сегодняшний день «не был таким быстрым, как я надеялся».
Выстрелы NIC прекратились в феврале 2011 года, так как машина была передана для экспериментов с материалами SSMP. По мере завершения этих экспериментов был проведен ряд запланированных обновлений, в частности, ряд улучшенных диагностических и измерительных приборов. Среди этих изменений было добавление системы ARC (Advanced Radiographic Capability), которая использует 4 из 192 лучей NIF в качестве источника задней подсветки для высокоскоростной визуализации последовательности имплозии.
ARC - это, по сути, лазер петаваттного класса с пиковой мощностью, превышающей квадриллион (10 15 ) ватт. Он разработан для получения более ярких, проникающих рентгеновских лучей с более высокой энергией, чем можно получить с помощью обычных радиографических методов. После завершения ARC станет самым мощным в мире лазером с короткими импульсами, способным создавать лазерные импульсы пикосекундной длительности для получения энергичных рентгеновских лучей в диапазоне 50-100 кэВ для подсветки экспериментов NIF.
Запуск NIC был перезапущен в мае 2011 года с целью синхронизировать четыре лазерных ударных волны, которые сжимают термоядерную мишень с очень высокой точностью. Выстрелы проверяли симметрию рентгеновского привода в течение первых трех наносекунд . Выстрелы по всей системе, сделанные во второй половине мая, позволили достичь беспрецедентного максимального давления в 50 мегабар .
В январе 2012 года Майк Данн, директор программы NIF по лазерной термоядерной энергии, предсказал в пленарном выступлении Photonics West 2012, что зажигание будет достигнуто в NIF к октябрю 2012 года. В том же месяце NIF произвел рекордное количество выстрелов - 57 выстрелов. чем за любой месяц до этого момента. 15 марта 2012 года NIF произвел лазерный импульс пиковой мощностью 411 триллионов ватт. 5 июля 2012 г. он произвел более короткий импульс 1,85 МДж и увеличил мощность до 500 ТВт.
Отчет Министерства энергетики США, 19 июля 2012 г.
Кампания NIC периодически пересматривалась группой под руководством Стивена Кунина , заместителя министра науки. Шестой обзор, 31 мая 2012 г., проходил под председательством Дэвида Х. Крэндалла, советника по национальной безопасности и инерционному синтезу, Кунину не разрешили возглавить обзор из-за конфликта интересов. Обзор проводился с теми же внешними рецензентами, которые ранее работали с Куниным. Каждый представил свой отчет независимо, со своей собственной оценкой вероятности достижения возгорания в рамках плана, то есть до 31 декабря 2012 года. Заключение обзора было опубликовано 19 июля 2012 года.
Предыдущий обзор от 31 января 2012 г. выявил ряд экспериментальных улучшений, которые были завершены или находятся в стадии разработки. В новом отчете единодушно хвалили качество установки: лазеры, оптика, мишени, диагностика, операции - все было на высшем уровне, однако:
- Однако общий вывод, основанный на этом обширном периоде экспериментов, состоит в том, что необходимо преодолеть значительные препятствия, чтобы достичь воспламенения или цели наблюдения однозначного альфа-нагрева. Действительно, рецензенты отмечают, что с учетом неизвестных при существующем «полуэмпирическом» подходе вероятность воспламенения до конца декабря чрезвычайно мала, и даже цель демонстрации однозначного альфа-нагрева является сложной задачей. (Памятка Крэндалла, 2012 г., стр. 2)
Кроме того, участники отчета выражают глубокую озабоченность по поводу разрывов между наблюдаемыми характеристиками и кодами моделирования ICF, так что текущие коды имеют ограниченную полезность в будущем. В частности, они обнаружили отсутствие возможности прогнозирования воздействия излучения на капсулу и неадекватное моделирование взаимодействия лазера с плазмой. Эти эффекты приводят к тому, что давление составляет от половины до одной трети давления, необходимого для воспламенения, что намного ниже прогнозируемых значений. На странице 5 меморандума обсуждается смесь материала аблятора и топлива капсулы из-за вероятной гидродинамической нестабильности на внешней поверхности аблятора.
Далее в отчете предполагается, что использование более толстого аблятора может улучшить производительность, но это увеличивает его инерцию. Чтобы сохранить требуемую скорость имплозии, они просят увеличить энергию NIF до 2 МДж. Следует также иметь в виду, что неодимовые лазеры могут выдерживать только ограниченное количество энергии или рискуют необратимо ухудшить оптическое качество лазерной среды. Рецензенты сомневаются, достаточно ли энергии NIF для косвенного сжатия достаточно большой капсулы, чтобы избежать предела смешения и достичь воспламенения. В отчете сделан вывод, что возгорание в 2012 календарном году «крайне маловероятно».
Зажигание не работает, фокус смещается, ЖИЗНЬ заканчивается
Сетевая карта официально завершила работу 30 сентября 2012 г., так и не добившись возгорания. Согласно многочисленным статьям в прессе, Конгресс обеспокоен ходом проекта, и аргументы в пользу финансирования могут начаться заново. Эти отчеты также предполагают, что NIF сместит акцент с воспламенения обратно на исследования материалов.
В 2008 году, когда NIF подходил к завершению, LLNL начала программу Laser Inertial Fusion Energy , или LIFE, чтобы изучить способы использования технологий NIF в качестве основы для коммерческого проектирования электростанции. В ранних исследованиях рассматривалась гибридная концепция деления-термоядерного синтеза , но с 2009 года основное внимание уделялось устройствам чистого термоядерного синтеза, включающим ряд технологий, которые разрабатывались параллельно с NIF, которые значительно улучшили бы характеристики конструкции.
Все они, однако, основывались на идее, что NIF обеспечит воспламенение, и что для улучшения характеристик потребуются лишь незначительные изменения в базовой конструкции. В апреле 2014 года Ливермор решил прекратить усилия LIFE. Брет Кнапп, исполняющий обязанности директора Ливермора, сказал, что «основное внимание в наших усилиях по синтезу инерционного удержания делается на понимании воспламенения на основе NIF, а не на концепции ЖИЗНИ».
Требования о безубыточности
В записке, отправленной 29 сентября 2013 года Эдом Мозесом, описывается выстрел из термоядерного синтеза, который произошел в 5:15 утра 28 сентября. Он произвел 5 × 10 15 нейтронов, на 75% больше, чем любой предыдущий выстрел. Был отчетливо виден альфа-нагрев, ключевой компонент зажигания. Он также отметил, что реакция высвободила больше энергии, чем «энергия, поглощаемая топливом», и это условие в меморандуме названо «научной безубыточностью». Это получило широкое освещение в прессе, поскольку казалось, что был достигнут ключевой порог, который был назван «вехой».
Ряд исследователей указали, что эксперимент проводился намного ниже уровня воспламенения и не представлял собой прорыв, как сообщалось. Другие отметили, что определение безубыточности, записанное во многих источниках и прямо заявленное Моисеем в прошлом, заключалось в том, что выход термоядерного синтеза был равен входному сигналу лазера.
В этом выпуске термин был изменен для обозначения только энергии, вложенной в топливо, а не энергии лазера, как в предыдущих утверждениях. Все механизмы потерь на входе были проигнорированы, и сравнение проводилось между примерно 10 кДж, которые достигают топлива, и 14 кДж, которые были произведены, то есть Q = 1,4. Используя предыдущее определение, это будет 1,8 МДж на входе и 14 кДж на выходе, добротность 0,008.
Метод, используемый для достижения этих уровней, известный как «высокий уровень», не подходит для обычного зажигания, и в результате до сих пор неясно, сможет ли NIF когда-либо достичь этой цели.
Эксперименты с запасами
С 2013 года NIF переключил свое внимание на исследования материалов и оружия. В экспериментах, начавшихся в 2015 финансовом году, использовались плутониевые мишени с графиком, включающим от 10 до 12 выстрелов на 2015 год и до 120 в течение следующих 10 лет. Выстрелы плутония имитируют сжатие первичной обмотки ядерной бомбы фугасными взрывчатыми веществами , которые не подвергались прямым испытаниям с момента подписания Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний . В этих испытаниях используются крошечные количества плутония - от менее миллиграмма до 10 миллиграммов. Аналогичные эксперименты проводятся и на Z-машине Сандии . Директор программы первичного ядерного проектирования LLNL Майк Даннинг отметил, что «это возможность для нас получить высококачественные данные, используя режим, который ранее был для нас недоступен».
Одним из ключевых достижений NIF после кампании Ignition стало увеличение количества выстрелов. Несмотря на то, что НИФ был разработан таким образом, чтобы делать снимки каждые 4 часа, в 2014 финансовом году НИФ выполнил 191 снимок, то есть чуть больше одного снимка каждые два дня. Это постоянно улучшалось, и в апреле 2015 года NIF был на пути к достижению своей цели - 300 лазерных выстрелов в 2015 финансовом году, почти по одному в день.
Продолжение термоядерных экспериментов
28 января 2016 года NIF успешно провела свой первый эксперимент с газовой трубой, направленный на изучение поглощения большого количества лазерного света в пределах 1 сантиметра (0,39 дюйма) целей, имеющих отношение к инерциальному синтезу намагниченных лайнеров с высоким коэффициентом усиления (MagLIF). Чтобы исследовать ключевые аспекты распространения, стабильности и эффективности связи лазерной энергии в полном масштабе для конструкций мишеней MagLIF с высоким коэффициентом усиления, был использован один квадратик NIF для доставки 30 кДж энергии к цели в течение 13 наносекундной формы. пульс. Полученные данные были очень благоприятными, и научный персонал национальных лабораторий Лоуренса Ливермора и Сандии продолжает анализ.
В 2018 году было объявлено о значительном улучшении производительности в результате постоянного улучшения контроля асимметрии сжатия. Выстрел с выходом 1,9 × 10 16 нейтронов, в результате которого получено 0,054 МДж термоядерной энергии, выделяемой лазерным импульсом 1,5 МДж.
8 августа 2021 года предварительные результаты экспериментов показали, что термоядерный синтез был осуществлен. Выход был оценен в 70% от входной энергии лазера. Он произвел избыточные нейтроны, соответствующие короткоживущей цепной реакции. Были изменены некоторые параметры эксперимента. Материал контейнера водород / дейтерий был изменен на алмаз, чтобы увеличить поглощение вторичных рентгеновских лучей, создаваемых лазерным импульсом, тем самым увеличивая эффективность коллапса. Другими изменениями были «сглаживание микроскопических выступов и ям на поверхности топливной капсулы», уменьшение размера отверстия в капсуле, используемого для впрыска топлива, уменьшение отверстий в золотом цилиндре, окружающем капсулу, «чтобы улетучивалось меньше энергии». и «продление лазерного импульса, чтобы продлить продвижение топлива внутрь». Этот результат немного превосходит прежний рекорд в 67%, установленный тором JET в 1997 году.
Похожие проекты
Некоторые похожие экспериментальные проекты ICF:
Фотографий
Смотровое окно позволяет заглянуть внутрь целевой камеры диаметром 30 футов.
Внешний вид верхней 1/3 целевой камеры. Выделяются большие отверстия с квадратной балкой.
Техник загружает контейнер для инструментов в герметичный диагностический манипулятор для инструментов.
Лампы-вспышки, используемые для накачки основных усилителей, являются самыми большими из когда-либо производившихся в промышленных масштабах.
Стеклянные пластины, используемые в усилителях, также намного больше, чем те, которые использовались в предыдущих лазерах.
В популярной культуре
NIF был использован в качестве набора для звездолета Enterprise «s варп ядра в 2013 фильма Star Trek Into Darkness .
Смотрите также
Примечания
использованная литература
внешние ссылки
- «Национальный центр зажигания: как работает NIF, NIF и наука о фотонах» . 27 мая 2010 г. Архивировано из оригинала на 2010-05-27 . Проверено 5 декабря 2020 .
- «Лазеры, фотоника и термоядерный синтез: наука и техника в миссии» . lasers.llnl.gov . Проверено 5 декабря 2020 .
- «Директор NIF, д-р Эд Мозес, о развитии объекта» . Ingenia . Декабрь 2007. Архивировано из оригинала на 2011-10-02 . Проверено 5 декабря 2020 .
- «Директор проекта NIF Мозес говорит, что объект готов к работе» . spie.org . Проверено 5 декабря 2020 .
- EST, сотрудники Newsweek 13.11.09 в 19:00 (13.11.2009). «Гонка Ливерморской лаборатории за изобретение чистой энергии» . Newsweek . Проверено 5 декабря 2020 .
- Эрик. «Лазерный синтез NIF в полном объеме» . Проверено 5 декабря 2020 .
- CleryNov. 23, Даниил; 2020; Ут, 10:45 (23.11.2020). «Лазерный термоядерный реактор приближается к рубежу« горящей плазмы »» . Наука | AAAS . Проверено 5 декабря 2020 .CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
Координаты : 37 ° 41′27 ″ с.ш. 121 ° 42′02 ″ з.д. / 37.690859 ° с.ш.121.700556 ° з.д.