Все 192 УФ-лазера, обрушивающие поток света на мишень в центре целевой камеры, берут своё начало от одного слабенького инфракрасного лазера, луч которого делится на множество потоков. Каждый из них пробегает в общей сложности по 300 метров, проходя последовательно цепочку из гигантских лазерных усилителей и преобразователей частоты.
Вверху: настраиваемое зеркало с 39 актуаторами, часть системы. В центре: 363-килограммовый кристалл дигидрогенфосфата калия – пример того, сколько новых технологий пришлось разработать, чтобы построить NIF. Такой кристалл научились выращивать за два месяца против двух лет при традиционных методах. Несколько же таких кристаллов были распилены для создания свыше 600 тонких пластин преобразователей частоты. Они конвертируют исходный сонм ИК-лучей (с общей энергией до 4 мегаджоулей, между прочим) в "финальные" 1,8 мегаджоуля УФ-потока. Хотя КПД этого процесса невысок – ультрафиолет гораздо лучше испаряет мишень, поскольку инфракрасное излучение (если бы применяли его напрямую) без толку "пропадает" в горячих электронах цели. Внизу: монтаж одного из модульных элементов лазерного усилителя (на основе гигантских цельнолитых пластин из неодимового стекла), накачиваемого импульсными вспышками, питаемыми от армии конденсаторов (фотографии NIF). |
Длительность каждого импульса составляет порядка наносекунды — нескольких наносекунд, а согласование времени прихода всех лучей к мишени таково, что расхождение между самым "торопливым" и самым "опаздывающим" импульсом не превышает 30 пикосекунд.
Каждый луч в конечном счёте попадает в строго отведённую ему точку на внутренней поверхности золотого контейнера, где создаёт "солнечный зайчик" диаметром 50 микрометров.
Хотя главная цель NIF – довести до идеала принцип опосредованного "удара" по водородной мишени, система способна перенастраиваться на прямое облучение топливных шариков без золотых контейнеров. В этом случае вместо создания двух световых конусов (как на этом рисунке) оптику перефокусируют так, что все ультрафиолетовые лучи сойдутся в центре камеры. Вообще же установка призвана проверить множество версий мишеней, чтобы узнать – какая лучше подойдёт для гипотетической промышленной установки синтеза (иллюстрация NIF). |
Интересно, что на полной мощности установка генерирует лучи, которые в сумме несут к цели 1,8 мегаджоуля энергии (так что нынешний запуск всех лазеров прошёл не на полной "тяге").
Отметим, что в мире существует несколько импульсных установок, по пиковой мощности сопоставимых с NIF, и даже немного превосходящих американского "монстра", но их вспышки длятся пико- либо фемтосекунды, то есть они на три-шесть порядков короче найфовских. А потому по суммарной энергии, заключённой в луче (или в нескольких лучах, как в NIF), они существенно уступают "суперспичке".
Львиная доля от этих "1,8" преобразуется золотым цилиндром в рентген, но лишь небольшая часть X-лучей оказывается задействована в разогреве и сжатии топливного шарика.
Тем не менее и этого количества энергии для запуска термоядерной реакции вполне должно хватить. И хотя прямое облучение мишени принесло бы к ней больший энергетический поток, опосредованный метод даёт намного более равномерное облучение всех боков шарика, чего и добиваются учёные.
Принцип промышленной электростанции на основе лазерного синтеза. Одна мишень должна стоить порядка 25 центов, сообщает NIF, а генерировать порядка 300 мегаджоулей энергии (иллюстрация NIF). |
Если цепная реакция в таком шарике будет запущена, он высвободит порядка 20 мегаджоулей энергии или даже несколько больше. Так что NIF должна стать первой установкой в своём роде, на которой энергетический выход от реакции синтеза превзойдёт энергетические затраты на её розжиг.
Улучшение в дизайне мишени и лазерной системы сулит поднятие термоядерного "выхода" с одного взрыва до 45 мегаджоулей (больше не позволят особенности камеры), а установки такого же типа, но уже следующего поколения смогут нарастить этот показатель ещё в два с лишним раза.
Держатель для мишени (самый кончик) и система проверки её позиционирования (его точность должна составлять долю от толщины человеческого волоса) в камере NIF. Внизу: выдвинута оптическая инспекционная система, служащая для проверки ориентации и фокусировки каждого лазера (фотографии NIF). |
А дальше? Дальше стоит подумать о промышленных системах такого рода, на которых полученную энергию можно было бы конвертировать в электричество. Как? Очень просто.
Микроскопические солнца в центре камеры при должной частоте взрывов приведут к сильному разогреву её стенок, а это тепло можно конвертировать в ток в классической паровой или гелиевой турбине (некий теплоноситель, возможно промежуточный, следует пустить внутри стенок сферической камеры).
NIF способна производить один лазерный "выстрел" каждые 5 часов – больше не позволит разогрев оптической системы, приводящий к её деформации. Но промышленная система лазерного синтеза должна подрывать в центре установки по несколько топливных шариков в секунду.
А значит, потребуется более сложный дизайн лазерного комплекса с мощным охлаждением, а ещё – "пушка", стреляющая на скорости в 10-100 м/с мишенями точно в центр камеры (это сейчас мишень филигранно устанавливают неподвижно на конце гигантской "иглы").
Зал управления NIF. Компьютеры, собранные тут, проверяют весь комплекс по 60 тысячам "контрольных точек". Это периферийные электронные системы, высоковольтное оборудование, актуаторы многочисленных зеркал и линз, датчики потоков энергии, видеокамеры, лазерные усилители и разнообразные диагностические инструменты (фото NIF). |
Всё это в том или ином виде должно быть проверено на другой опытной установке по ICF — европейский проект Hiper (High Power Laser Energy Research), пока существующий только на бумаге, обещает стать ещё более мощным, чем NIF.
Недавно он получил финансирование на первый этап теоретических работ. Так что его успехи – в будущем, ведь построят Hiper не раньше, чем через 10 лет. А вот первые эксперименты в NIF начнутся уже в нынешнем июне.
Первый же опыт по запуску стабильной цепной реакции синтеза в этой огромной установке произойдёт в 2010-2011 году, предсказывает Мозес. Учитывая отставание по времени главного нынешнего соперника NIF по ядерному синтезу – токамака ITER (он заработает где-то в 2016-2018 году) – можно сказать, что Ливерморская лаборатория способна сорвать банк.
Источник http://www.membrana.ru/articles/technic/2009/03/31/223000.ht...