На днях в Сарове была установлена на свое место лазерная термоядерная установка, при помощи которой планируется проводить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу. Идея создания такой установки была предложена в 1950-х академиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.
Ну а создание лазера, которой дает возможность фокусировать в небольших объемах пространства энергию огромной плотности открыло возможность перевести идею в практическую плоскость. Начало лазерному термоядерному синтезу было положено в 1964 году.
Алгоритм работы с лазерной установкой следующий: сферическую капсулу заполняют смесью дейтерия и трития, а затем на ее поверхность посылается мощный лазерный импульс. Под его действием часть капсулы испаряется, создается абляционное давление. Оно разгоняет сферический поршень (часть, которая не испарилась) до очень высоких скоростей. Все это приводит к симметрическому сжатию смеси до необходимых для проведения термоядерной реакции параметров.
Первые эксперименты по работе с лазерной термоядерной установкой были проведены в 1972 году в ФИАН. Тогда же началась активная разработка лазерных установок. За почти полвека удалось создать несколько мощнейших лазерных установок, включая такие, как «Искра 4», «Искра 5», «Луч».
С их помощью ученым удалось доказать, что лазерный импульс с энергией 500 кДж способен «зажечь» термоядерную мишень, представляющую собой пластиковую оболочку диаметром 1,5 мм с толщиной стенки около 30 мкм. На внутренней часть этой стенки наморожен слой DT-льда толщиной 25 мкм.
Согласно текущим представлением для активации термоядерной мишени при помощи лазера необходимо излучение мегаджоульных энергий, а подводить ее к цели нужно в виде профилированного импульса с длительностью около 5 наносекунд. К слову, Ливерморской национальной лаборатории, расположенной в США удалось добиться увеличения мощности лазера вплоть до 1,8 МДж.
Что касается текущей установки, то ее разработка началась с предложения РФЯЦ-ВНИИЭФ по созданию новой системы. Это предложение было сделано в 1996 году. Установка, о которой говорили авторы проекта, нужна для проведения экспериментов по зажиганию термоядерной мишени.
Главный элемент установки — камера взаимодействия. Это сфера диаметром 10 м, масса которой достигает 120 т. Именно в ней и должно происходить взаимодействие лазерной энергии с мишенью. При таких параметрах камеры и большом количестве важных элементов внутри ее транспортировка — сложная задача. Поэтому камеру монтировали неподалеку от того места, где она должна использоваться.
За 14 месяцев разработчикам удалось смонтировать сферу и разметить ее для инсталляции систем ввода излучения, технологических систем и диагностического измерительного оборудования. Толщина стенки камеры из алюминиевого сплава составляет около 100 мм. Всего на поверхности сферы располагается более 100 портов.
По словам академика РАН Сергея Гаранина до настоящего момента еще никому не удалось зажечь термоядерную мишень в лаборатории. Главная проблема состоит в том, что небольшое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей. При этом оболочная должна двигаться сферически симметрично, нельзя допустить отклонения от сферического сжатия. На той же установке NIF необходимой однородности облучения центральной капсулы достичь не удалось. Но на саровской установке, возможно, удастся достичь успеха.
В настоящее время проводятся испытания первого модуля установки. В конце 2019 года будет проведен пробный запуск. Ну а ввод системы в эксплуатацию назначен на 2022 год.
Комментарии (30)
Daddy_Cool
21.04.2019 15:34Википедия с академиком не согласна, но кажется она не права.
ru.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facility
«08.10.2013 на установке National Ignition Facility (NIF) была зажжена термоядерная реакция, в ходе которой впервые в мире энергия, выделенная в ходе реакции, превысила энергию, поглощенную мишенью.»
Ссылка из той же статьи в Вики.
www.sciencemag.org/news/2013/10/fusion-breakthrough-nif-uh-not-really
Может кто объяснить, что именно сделали на NIF?DesertFlow
21.04.2019 16:29В статье по ссылке сказано, что выход термоядерной реакции превысил энергию поступающих на мишень лазерных лучей. Но сами лазеры имеют низкий кпд по генерации этих лучей, поэтому суммарно энергия синтеза не превысила потраченную энергию на все это дело.
Так, лазеры потребляли электричества на 1.8 МДж, а выход термоядерной реакции был всего 14 кДж. Но при этом созданные за счет этих 1.8 МДж электричества лазерные лучи несли меньше 14 кДж (точнее, в статье сказано, что мишень поглотила меньше 14 кДж, возможно не весь свет сфокусирован или часть отражается от мишени), поэтому с точки зрения физики и мишени это полноценный термоядерный синтез. С выходом больше, чем затраты.
Осталось только научиться делать лазеры с высоким кпд ). Ну или сильнее повышать выход, чтобы он отбил эти потери.DrPass
21.04.2019 18:33Осталось только научиться делать лазеры с высоким кпд ). Ну или сильнее повышать выход, чтобы он отбил эти потери.
Как я понимаю, пока такая цель не ставится. Речь идет именно об инициировании устойчивой термоядерной реакции с положительным выходом. А оптимизация средств доставки энергии к реактору пока выходит за рамки эксперимента.maxwolf
21.04.2019 22:55+1А я этого до сих пор не вполне понимаю. Например, на ТЭС поток топлива ~непрерывно подаётся в горелку, которая ~непрерывно вырабатывает энергию. На АЭС загружают кусок топлива, которое «горит» несколько лет, вырабатывая энергию, после чего «горелку» выключают, «сгоревшее топливо» меняют, и запускают процесс по новой. А про ТЯЭС кто пояснит? Как видится, хотя бы теоретически, процесс? Непрерывная подача «пластиковых оболочек диаметром 1.5мм» с топливом и «расстрел» их импульсными лазерами? Или оболочки, со временем, ожидаются больших диаметров (если энергия высвобождается вся и мгновенно, то на этот размер есть очевидные ограничения...)? Или предполагается, что таким сложным способом реакцию будут только «зажигать», а потом новое топливо будет подаваться «в зону горения» непрерывно?
Snakey
22.04.2019 02:09Невыносимый мэдскил
tnenergy
22.04.2019 14:38Для инерциальных импульсных систем переодически возникают попытки нарисовать "как это можно применить в энергетике", но все обычно пугаются результата.
Консенсус выглядит примерно так — фабрика мишеней, сложнейший механизм, который мишени адски быстро вакуумирует и роняет в центр камеры, куда стреляют лазеры. Вокруг льется жидкий литий, который принимает тепловые нагрузки и генерирует тритий. За импульс можно в самых влажных фантазиях сгенерировать до 10 ГДж (это 2 тонны тнт), и взрывать такое надо раз в несколько секунд. Если отказаться от маловероятной по характеристикам камеры и попробовать работать на мелких мишенях (скажем, 500 мегаджоулей), то очень усложняется механизм запуска мишеней (их теперь надо несколько в секунду) и критичной становится стоимость мишеней.
Как-то так.
KonkovVladimir
22.04.2019 07:21Мне кажется, что академик имел ввиду не «зажечь», а полностью «сжечь» все ядерное топливо, в таком случае на NIF этого еще не достигли. Для достижения такого результата нужны либо большие капсулы либо более высокие температуры. Не думаю, что в Сарове на менее мощной установке они достигнут премиущество и в первом и во втором параметрах.
FYR
22.04.2019 09:51Если я правильно понял — критически важно достичь симметричности сжатия. Чего как раз в NIF не сумели сделать. Т.е. тут вопрос не столько в мощности. А получить в итоге больший или хотя бы такой же выход на менее мощной установке — уже PROFIT.
Хотя даже просто повторить результат NIF уже будет PROFIT.KonkovVladimir
22.04.2019 10:31Симметричное воздействие лазерным излучением еще не гарантируют симметричного сжатия из-за возникающих нестабильностей Рэлея — Тейлора и Рихтмайера — Мешкова.
3D симуляция имплозии, с учетом этих нестабильностей, пока не дает результатов совпадающих с экспериментом.
Мощность тут действительно имеет критическое значение, поскольку в термоядерной бомбе за счет теплового излучения термоядерного заряда удается вызвать термоядерную реакцию, не смотря на все эти нестабильности.
Главным достижением исследований будет NIF не то что кто-то «зажгёт», а создание компьютерного кода моделирующего имплозию термоядерного горючего под воздействием теплового или лазерного излучения на суперкомьютере.
Это может быть использовано и при создании более совершенных термоядерных бомб и управляемого лазерного синтеза.
Кое какие успехи уже есть. Трехкратное увеличение энергии при управляемом лазерном синтезе с прямым облучением благодаря статистическому моделированию.
A1054
22.04.2019 11:17Из статьи не очень понятно, что, собственно, сделали.
Сама идея зажигания термояда таким способом весьма старая, установки, постепенно приближающиеся к цели (хочется в это верить, хотя уверенности нет), строились и раньше.
Что сейчас сделано в Сарове? Это новый шаг вперед? почему? какие проблемы планируется решить?
bevalorous
22.04.2019 11:38tnenergy
22.04.2019 11:55У меня есть статья о том, что тут происходит на самом деле.
На деле NIF был передовой машиной, но по традиции УТС физика, преподнесла много сюрпризов, и получить несколько мегаджоулей термоядерной энергии из мишени, как было запланировано на NIF не сумели. Сейчас рекорд — около 50 кДж.
УФЛ-2М, которую строят в Сарове будет мощнее по лазерам (2,8 МДж против 1,8 МДж, емпни) и есть все шансы "грубой силой" все же достичь того, что не смог NIF. Но по сути все эти установки военные — они моделируют процессы в термоядерных бомбах, и с помощью них калибруют коды, которые считают эти бомбы. Поэтому режим альфа-подогрева важен, но не критичен, и без него этим установкам есть работа.
P.S. Такая же установка запущена во Франции (Laser Megajoule) и строится в Китае, а так же установка чуть попроще есть у Японии — с учетом плотной связи их с ядерным оружием интересный расклад.
adson
22.04.2019 12:00С учетом санкций, возникает вопрос: чей лазер используется?
acodered
22.04.2019 12:44Думаю, ответы про санкции и лазеры будут неожиданные для спрашивающего. Или просто издевательские. Или и то, и другое вместе.
tnenergy
22.04.2019 14:41Лазерами этими очень давно занимается ВНИИЭФ при поддержке ИПФ из Нижнего Новгорода и ГОИ. Как не странно, эти ребята весьма передовые на мировом уровне в мощных лазерах, так что надо думать, что по большей части он будет создан в России. Хотя, как обычно, возникают всякие критичные элементы, которые обязательно надо будет протащить контрабандой, ну хотя бы начать с измерительной аппаратуры с временными разрешениями в единицы пикосекунд.
acodered
22.04.2019 18:03И за словами *весьма* и *по большей части* тут скрыто довольно многое, например что они монополисты и конкурируют только со своими китайскими клонами.
KonkovVladimir
Ф — фактчекинг.
Американский проект NIF по изучению инерциального управляемого термоядерного синтеза преодолел важный рубеж. В двух сеансах работы, проведенных в конце 2013 года, энергетический выход термоядерной реакции в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом оказался больше, чем подведенная к топливу энергия. В рекордном выстреле в ходе термоядерной реакции было произведено примерно вдвое больше энергии, чем было вложено в топливо. Если это «не смогли зажечь», то что такое «зажечь»?
Текущие эксперименты NIF
tnenergy
Классный вопрос. Для ответа надо немножко влезь в детали.
NIF использует т.н. indirect drive, где термоядерная реакция должна возникнуть внутри газа D-T за счет адиабатического сжатия, которое осуществляется коллапсирующей стенкой из льда D-T (в которое должно перейти термоядерное горение из газовой затравки). Это адиабатическое сжатие нагревает очень маленькое количество газа (микрограммы) примерно 10 килоджоулями энергии. Коллапс стенки в свою очередь создается за счет испарения внешней жертвенной оболочки из пластика, которое окружает капсулу льда DT с газом. На испарение уходит около 150 килоджоулей энергии. Испарение жертвенной оболочки обеспечивается рентгеновским излучением в хольрауме (теплоизолирующей капсуле из золота). Рентген в хольрауме создается импульсом передовой лазерной установки, за счет примерно 1,8 мегаджоулей ультрафиолетового лазерного излучения. Для создания этих 1,8 МДж тратится 50 МДж "из розетки".
А теперь возвращаясь к вопросу. Ученые учитывали только последнюю ступень — энергия от термоядерной энергии VS энергия от адиабатического сжатия. Там, действительно, был breakeven. Академик же рассчитывает подняться на пару ступеней, и получать от мишени больше термоядерной энергии, чем вносится лазерным излучением.
Однако все это никакого отношения к энергетики не имеет и используется лишь для моделирования ядерных взрывов.
artmmslv
Последнее неверно. Идея УТС (управляемого термоядерного синтеза) не ограничивается токамаками. Для достижения положительного энерговыхода есть ещё два направления: мюонный катализ и инерциальное удержание.
Лазерные установки относятся к системам инерциального удержания. И повышение точности работы может привести к созданию энергетически выгодных устройств, а в дальнейшем — и электростанций. Да, это сложно, это дорого, это неудобно и пока неэффективно. Но это фундаментальная наука с конкретной моделью применения
tnenergy
Спасибо, что поделились. У меня есть статьи и по мюонному катализу и по ICF. И если бы я не был таким ленивым, то было бы еще куча статей по промежуточным вариантам — например магнитоинерциальный синтез, а-ля MagLIF. Молчу уже про альтернативные виды магнитного удержания, про которые я тоже много написал, см. мои публикации на "Хабре".
Знаете, точность тут не причем. Да, понятно, что за счет всяких хитростей, Q>1 пытаются получить на 2% энергий от лобового решения (100 МДж в мишени достаточно для зажигания плазмы чисто за счет нагрева). Но экономика этого процесса совершенно чудовищна и не интересна (если хотите, я вам могу описать очевидные проблемы). И то, что во всех странах, где такие установки есть, они строятся в ядерно-оружейных центрах, как мне кажется, просто кричит о их предназначении (не говоря уже, что относительно NIF есть прямые отчеты, сколько у них по военным программам времени — примерно 40%).
Это, безусловно, фундаментальная наука. Но не энергетика.
Valerij56
Если это фундаментальная наука, то без разницы, занимаются ею в военном исследовательском центре или в международном гражданском институте. Знания, полученные в процессе будут, по определению, использоваться и в гражданской, и в военной областях. Секретность военных разработок может замедлить, но не отменить этот процесс.
tnenergy
Нет, знания (часть их), полученные на этих установках, не будут использоваться в гражданской области. Попробуйте, найдите уравнение состояния для плутония при больших давлениях. Или спектры сечений деления/поглощения нейтронов при температурах >1500 K — все вполне себе фундаментальные знания.
Но в целом, я спорил прежде всего с тем, что это энергетическая установка или хотя бы переспективная для энергетики.
KonkovVladimir
Спасибо за подробное объяснение, но я бы не хотел сводить весь прогресс в исследовании УТС к простому «зажгли», «не зажгли», надеюсь новая экспериментальная установка в Сарове внесет свой посильный вклад в исследования УТС.
tnenergy
Не знаю, что вы хотели, но вопрос у вас был вполне конкретный, а я пояснил, откуда берутся разночтения.
Знания по горячей плотной плазме, которая получается на подобных установок, разумеется, самоценны по себе, всякая там радиционно-доминированная магнитогидродинамика с подогревом альфа-частицами, ух. Но, увы, у УТС есть вполне себе конкретный количественный критерий — Q, с помощью которого можно измерять прогресс сегодня.