Лазерный термоядерный синтез: история

Начало

(осторожно, картинки!)
image

В далеком 1997 году в Ливерморе (Калифорния) началось строительство комплекса NIF — National Ignition Facility, он же — национальный комплекс зажигания. Цель этого огромного комплекса — изучение и осуществление ICF — инерциального управляемого (термоядерного) синтеза. Ключевое отличие этого вида синтеза от других состоит в том, что термоядерное топливо удерживает само себя за счет инерции. (напомню, в токамаке, который собираются запустить в 2019 году во Франции, плазма удерживается магнитным полем) Процесс должен протекать следующим образом: мишень (топливный шарик, о нем подробнее дальше) нагревается до температуры, которая позволяет пройти синтезу до того, как плазма разлетится в разные стороны, то есть реакция идет импульсно.
В NIF к этой проблеме подошли так: маленький, всего два миллиметра в диаметре, шарик топлива нагревается лазерным лучом, получая огромное количество энергии за считанные мгновения, а значит топливо успеет нагреться и прореагировать не разлетевшись в разные стороны в виде плазмы. Более того, разлет частиц топлива удерживает сила инерции. Но не все так просто. NIF рассчитан на осуществление непрямого синтеза: лазер не нагревает сам топливный шарик, а hohlraum, резонатор, который отражает лучи в топливо, причем он направляет лучи более симметрично, чем просто направленный на цель лазерный луч. Сама топливная сфера состоит из тонкой бериллиевой оболочки, где содержится твердое дейтерий-тритиевое топливо, охлажденное 18K (-255 по Цельсию).
Изначально оболочка мишени была полимерной (полистирол), однако потом технология изготовления изменилась: на слой пластика напыляют бериллий, после чего пластик удаляют, оставляя лишь бериллиевый слой. Из-за этого усовершенствования энергия направленного к центру мишени взрыва увеличивается.

Топливный шарик:
image

Золотой резонатор:
image

Процесс


Эксперименты проходят по такой схеме: лазер выпускает в инфракрасном спектре луч энергией 3 мегаджоуля. Из них только полтора переходят в ультрафиолетовый спектр, из этих полутора лишь 85% переходят в рентгеновское излучение и примерно 15% (150 килоджоулей) будут поглощены внешними слоями цели, отразившись от позолоченного резонатора. Внешние слои цели испарятся, создавая реактивную тягу, направленную к центру, что создаст дополнительное давление. Реакция начинается в центре мишени и распространяется к внешним ее слоям, после чего цель приобретет плотность 1000 гр/см3 (примерно в сто раз выше плотности свинца), что приводит к выбросу примерно 20 мегаджоулей энергии в результате синтеза. Улучшения резонатора и самого лазера должны повысить поглощаемую энергию до 420 килоджоулей, а получаемую — до 100-150 МДж, но конструкция комплекса не позволяет получить более 45 МДж на выходе.

Потери энергии на пути к мишени
image

Гигант



Недавно, 17 июля учеными NIF был протестирован самый мощный в мире лазер. Установка побила все рекорды: мощность ультрафиолетового лазера составляет 500 тераватт. Лазер выпускает 192 луча в цель. Длительность каждого импульса — примерно наносекунда, а расхождение между первым и последним составляет не более 30 пикосекунд, Цель же получает 1,85 МДж энергии. Температура в центре мишени достигает ста миллионов градусов Цельсия. Такой лазер делает энергетически выгодный синтез доступным. Возможно плоды этого открытия мы будем пожинать раньше 2040 года, когда планируется получение энергии от строящегося во Франции ITER.

Получение энергии



Одна из проблем, с которыми столкнулись исследователи — получение энергии от реакции. Пока что планируется отводить тепловую энергию и преобразовывать ее в электрическую. При достаточно большой частоте «взрывов» стенки камеры разогреются, а после этого дело останется за малым. Однако установка не может делать более одного выстрела в 5 часов из-за сильного нагрева оптической системы, следовательно для промышленного получения энергии необходимо улучшать систему охлаждения.

История комплекса



Работа над NIF началась с демонстрации луча Beamlet в 1994, после чего, в июне 1997 года началась подготовка к строительству комплекса. Его стоимость была оценена как 1,1 млрд. долларов и еще один млрд. требовался на исследования. Комплекс должен был быть готов к 2002 году. Однако в тот же год дату сдвинули на 2004 год, а компании было выделено еще сто млн. долларов. В декабре 1997 года строительство было приостановлено, потому что на площадке нашли кости мамонта возрастом 16 тысяч лет.
В 2000 году было признано, что компания вышла за рамки бюджета, а по новым оценкам требовалось 3,9 млрд. долларов, срок окончания стройки был сдвинут на 2006 год. Однако под новым руководством строительство продолжалось, эксперименты начались в 2005 году, а 29 мая 2009 года состоялась торжественная церемония открытия, на которой присутствовал губернатор Калифорнии, Арнольд Шварценеггер. Уже в конце июня 2009 года начались первые эксперименты с целью в золотом резонаторе.

Схема комплекса:
image

Панорамы комплекса

Итак, я с нетерпением жду начала термоядерного синтеза, который должен подарить нам дешевую (а в глубине души надеюсь, что и дармовую) энергию.
На мой взгляд ход экспериментов выглядит весьма многообещающе, несмотря на некоторые трудности. Но в любом случае, время покажет.

UPD 02.06.2014: ilya42 попросил переместить статью в хабы «Физика» и «Энергия и элементы питания», что я и делаю.
К сожалению, из-за нехватки времени вряд ли смогу её доработать согласно пожеланиям комментаторов, как хотел ранее.
Поделиться публикацией

Комментарии 45

    +14
    Уважаемый, вы в курсе, что топовая картинка 12 Мб, а панорама 2,5 весит? Сейчас эра быстрого интернена конечно, но однако.
      +9
      И рвет rss вдобавок.
        +3
        ну я потому и зашел, гугл ридер мой был сильно озадачен.
        +5
        я с работы, к своему сожалению, открыл, когда выделяется на месяц 50мб :)
        Автор, спасибо!
          +3
          Наверное, вы должны все без картинок просматривать по определению, 50Мб только на html и javascript за неделю уходит…
          0
          Первая 5 557 x 3 705, третья 1 400 x 1 750, крайняя 2 100 x 1 358, итого на 17метров страничка.
          При регистрации на ресурсах похоже надо не правила вставлять, которые никто не читает, а тест на грамотность и знание основ ПК)))
            +1
            Даешь Nokia 808 PureView 48 MegaPixel каждому хабраюзеру! Нам нужно больше картинок с высоким разрешением!
            +1
            Да, впечатляет. видел картинку комнаты в виде сферы с кучей излучателей. а резонатор испаряется?
              0
              Не спроста там рядом Теллер работал, по принципу действия на его изобретение похоже.
                +2
                Такое ощущение, что в статье перепутаны миллиджоули (мДж) с мегаджоулями (МДж).
                Также мощность лазера в импульсе странным образом сравнивается с постоянной мощностью (потребления британии). Это еще если она в этом месте не перепутана с плотностью мощности (Вт/cm2). Вот она для фокусированного лазерного излучения в сверхкоротком импульсе легко может достигать и гигаватт, и террават.
                  +4
                  И с чего появилось ощущение про милиджоули? И почему же мощность лазера нельзя сравнить с мощностью потребляемой целой страной??? По-моему, довольно забавно, но коректно.
                  0
                  Все хотят добиться контролируемого процесса термоядерного синтеза. Он тоже хотел.

                  0
                  >>можно спокойно сравнивать с температурой центра солнца
                  Смущает фраза. Помимо температуры в центре солнца колоссальное давление, за счет чего синтез возможен при относительно низких температурах. На земле же такое давление воссоздать нельзя, посему необходимая температура в десятки и сотни раз выше.
                    +2
                    Давление не играет роли, важна только температура. Именно она определяет среднюю энергию столкновения ядер. И если эта энергия позволит преодолеть кулоновский барьер — то неважно, какое при этом было давление. Реакция все равно будет идти.
                      0
                      Да нет, всё правильно.
                      Только дело не в давлении, а в выполнении критерия Лоусона (соотношение плотности — времени удержания плазмы), который и определяет условие зажигания термоядерной реакции с положительным выходом энергии.

                      Туннельный эффект позволяет протекать термоядерным реакциям при гораздо меньших температурах, чем миллион градусов, тут вопрос только в скорости протекания. Например, коричневые карлики «горят» очень медленно и долго, миллиарды лет, а голубые гиганты — быстро (миллионы лет). Поскольку чем выше температура, тем больше вероятность преодолеть кулоновский барьер.
                        0
                        Немного поспешил, не миллион градусов, а почти миллиард для реакции D-T.

                        То есть для преодоления кулоновского взаимодействия нужна температура в 1 млрд. К (в этом случае реакция идёт с максимальной скоростью),
                        в ITER средняя температура 100 млн. К (примерно такая же достигается и в ICF),
                        в ядре Солнца примерно 15 млн. К (соответственно в красных карликах еще меньше),
                        в коричневых карликах < 3 млн. К, что уже слишком мало для зажигания термоядерных реакций.

                        То есть для горения термоядерной реакции достаточно температуры в 100 раз меньше, чем на преодоление кулоновского барьера.
                      +2
                      КДПВ у вас о-о-о-очень оригинально внимание привлекает. А из текста, извините, нихрена не понял… Набор цифр, пара фоток на фоне глаза, необльшая историческая справка и… ниоткуда не вытекающие выводы.
                        +6
                        Господа, спасибо вам за конструктивную критику, картинки я уменьшил. За недоразумение с ними прошу прощения отдельно, так как уже привык к своему достаточно толстому каналу и не учел, что быстрый интернет сейчас есть не у всех.
                        Однако снижением своей кармы немного огорчен, так как «песочницу» считал тем местом где на ошибки указывают без битья по голове. Наивный, не спорю.
                        Статью я доработаю, благо мне еще есть куда стремиться.
                          0
                          Т.е. на каждом шаге цикла будет испаряться золото?
                          Интересно, на сколько хватит запасов золота?
                            0
                            Смотрите сами: сфера диаметром 2 мм помещается в цилиндр, внутренний диаметр которого чуть больше. Толщина стенок тоже маленькая.
                            Да что я распинаюсь? На фотографии отлично виден размер резонатора, а испаряется он только во время запуска синтеза.
                            Сам синтез происходит импульсно, но это я внесу в пост попозже, так как понял, что ему требуется серьезная доработка.
                            Подытоживая: золота нужно мало, и его скорее всего в будущем будут просто синтезировать в процессе. Возможно, что не в очень близком будущем.
                              0
                              Возможно, впоследствии золото получится заменить другим, более дешевым материалом. Или вообще обойтись без резонатора.
                                +2
                                Синтез золота бессмыслен. Вообще синтез тяжелых элементов смысла не имеет ибо во время этого процесса энергии поглощается больше чем выделяется. Это как бы есть причина смерти звезд. Проще скататься на какой астеройд и оттуда притащить все необходимое.
                                  0
                                  Но если на изготовление одного резонатора будет уходить 10% энергии от одного синтеза, то почему бы и нет?
                                    0
                                    Не думаю что 10%.
                              0
                              Ссылки на научные исследования в данной области? Пусть хоть на аглицком, хоть на романском
                                +2
                                А как планируется улавливать энергию, которая выделяется при синтезе?
                                  0
                                  По старинке скорее всего — с помощью теплообмена с жидким металлом или чем-то подобным.
                                  0
                                  «лазер выпускает в инфракрасном спектре луч энергией 3 мегаджоуля. Из них только полтора переходят в ультрафиолетовый спектр» Это антистоксово излучение или вы просто неправильно перевели? Энергия инфракрасного излучения меньше, чем ультрафиолетового и тем более рентгеновского. И я привык, что энергия излучения или тратиться в дальнейшем (релеевское рассеяние) или уменьшается (комптоновское).
                                    0
                                    *или не тратиться
                                      +1
                                      *тратится
                                      пойду-ка я спать, пожалуй уже.
                                      0
                                      Тут все дело в резонаторе. Лучше всего он отражает рентгеновский спектр, а без отражения пока никак. Учёные пробовали использовать вместо резонатора большое количество лазеров, но равномерного нагрева не происходит и топливо разбрызгивается по камере, превращаясь в плазму.
                                      0
                                      Как облако плазмы (после испарения резонатора) будет удерживать себя за счет инерции тоже не очень понятно.
                                        +1
                                        Программисту несложно провести вычислительный эксперимент, чтобы «почувствовать», как это делается. Представьте себе круг, равномерно заполненный точками. Изначально эти точки покоятся, и тут мы имитируем ввод энергии в систему: придаем точкам начальные скорости, которые распределены в соответствии с законами распределения скоростей в статистической физике, и направлены в случайные стороны. Система, естественно, начнет разлетаться, но в ходе разлета произойдет некоторое количество столкновений частиц. Если энергия столкновения пары выше некоторого порога — то считаем, что между данной парой столкнувшихся частиц прошла реакция синтеза. Две частицы объединяются в одну; модуль и направление скорости получившейся большой частицы вычисляются исходя из законов сохранения энергии и импульса. И моделирование продолжается. В конце можно посчитать, какой процент частиц испытал столкновения с реакцией.
                                        0
                                        Почему то, когда говорят про «чистый» термояд все молчат о нейтронах и о связанной с ними наведенной радиоактивностью и ворохом проблем из-за этого…
                                          +1
                                          Ракция D-T даёт 0 нейтронов на выходе. А побочные ветки реакции составляют 0.001 от основной.
                                          Еще нужно учесть, что топлива там считанные граммы по сравнению с обычными АЭС.
                                          Так и получается, что количество нейтронов, выделяемое термоядерной электростанцией, на несколько порядков меньше, чем у АЭС.
                                            0
                                            как это D-T дает 0 нейтронов, у трития один протон два нейтрона, у дейтерия по одному протону и нейтрону на выходе, у нас ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами, а где лишний нейтрон, а?
                                              0
                                              Конечно же не тритий, а Гелий-3.
                                              Что-то никак не проснусь.
                                          +3
                                          Я рад, что всё-таки строят промышленную установку для осуществления инерциального термоядерного синтеза.
                                          Но в статье хотелось бы видеть не только картинки комплекса, а хотя бы немного теории и истории развития.
                                          Например:
                                          — базовые понятия о термоядерном синтезе, критерий Лоусона;
                                          — нет истории улучшения мишеней;
                                          — нет информации об альтернативных драйверах (лазер не единственное и далеко не самое эффективное средство нагревания и сжатия мишени).
                                          — совершенно не затронуты вопросы преобразования энергии плазмы в электрическую;
                                            0
                                            Плюсую, потому как это один из немногих постов с конкретными пожеланиями.
                                            На выходных начну воплощать в жизнь.
                                              –1
                                              > нет информации об альтернативных драйверах

                                              Я не специалист в данной области, но кроме центра взрыва лучшие варианты драйвера не приходят ;)
                                              Насколько я понимаю, после испытания самой мощной водородной бомбы что-то похожее на термояд произошло на Новой Земле.
                                                +1
                                                «Что-то похожее на термояд»? Вообще-то термоядерные боеприпасы потому и называются термоядерными — в них основная энергия как раз и выделяется при неуправляемой реакции синтеза, инициируемой обычным ядерным зарядом.
                                                  0
                                                  К сожалению, взрыв водородной (термоядерной) бомбы плохо масштабируется. Для электростанции нужен гораздо меньший порядок выходной мощности.
                                                  А кроме лазерных драйверов бывают еще электронные и ядерные пушки. И вроде как именно ядерные пушки самые эффективные, но и самые сложные в реализации. Хотя, я уже 10 лет не следил за развитием термоядерной энергетики, может придумали что-то новое, например про резонатор я читаю впервые.
                                                    +1
                                                    Все водородные бомбы — термоядерные. Ключевое различие — слово «управляемый» =) Без этой добавки уже давно научились запускать реакцию.
                                                  +2
                                                  ITER — International Thermonuclear Experimental Reactor, международный проект. То, что он располагается во Франции, не делает его французским.

                                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                  Самое читаемое