Начало
(осторожно, картинки!)
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:
Золотой резонатор:
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
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:
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.
