Крупнейший лазер направил тераватты на кончик ядерной иглы

Три десятилетия исследований, проводимых в разных странах, вскоре будут, образно говоря, сконцентрированы в этом маленьком цилиндрике. Сконцентрированы в виде лучей общей мощностью в 500 тераватт! (фото NIF)

"Национальная спичка" – так вольно можно перевести название этой грандиозной лазерной установки.

На днях было завершено её многолетнее строительство, увенчавшееся пробным пуском примерно на половине мощности. Вскоре "спичка" впервые зажжёт термоядерные реакции в шарике-мишени. На краткое мгновение на Земле появится очень маленькая "ручная" звезда.

10 марта 2009 года американская "Национальная установка зажигания" (National Ignition Facility — NIF) произвела рекордный световой импульс в 1,1 мегаджоуля. При этом лучи системы в сумме несли в 25 раз больше энергии, чем импульс любого другого лазера, заявил директор NIF Эдвард Мозес (Edward Moses).

Вспышка длилась миллиардные доли секунды и послужила салютом в честь завершения строительства одной из самых сложных экспериментальных установок человечества. NIF – крупнейшая лазерная система на планете — должна наконец ответить на вопрос: возможно ли на практике приручить термоядерные реакции при помощи лазерной технологии?

NIF является составной частью знаменитой Ливерморской лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), выглядящей с воздуха словно небольшой город. А на этом снимке мы видим здание собственно NIF, превосходящее по размеру футбольный стадион. Внизу: общая схема NIF. Два протяжённых зала с лазерными установками (1 и 2) генерируют колоссальный поток лучистой энергии, сводимый, в конце концов, в 10-метровую камеру-сферу (3), в самом центре которой находится миниатюрная мишень (фото NIF и с сайта wikipedia.org).

Управляемый термоядерный синтез с инерциальным удержанием плазмы (Inertial confinement fusion — ICF) — альтернатива системам с магнитным удержанием (это токамаки и стеллараторы).

И подобно тому, как знаменитый токамак-гигант ITER, строительство которого международное сообщество ведёт сейчас во Франции, считается венцом в своей области, NIF представляет собой самую мощную и сложную установку для ICF.

Кстати, интенсивные работы в этой сфере ведутся в разных странах примерно 30 лет, а конкретно проект NIF насчитывает уже 15-летнюю историю, из которых на возведение комплекса ушло 12 лет (и, заметим, примерно $4 миллиарда).

Познакомимся же с ним поближе.

Принцип прямого сжатия и розжига мишени. Справа: микросолнце, горящее в установке Nova — предшественнице NIF, созданной также в Ливерморской лаборатории, но намного раньше – в 1984 году. Nova не достигла своей цели – самоподдерживающейся цепной термоядерной реакции, позволяющей использовать большую часть тяжёлого водорода, заключённого в мишени. Но зато она первой в ряду похожих систем близко подобралась к этому знаковому барьеру и обозначила ряд проблем (магнитогидродинамическая нестабильность сжимающегося шарика), которые и призвана решить установка NIF (иллюстрация NIF и фото с сайта wikipedia.org). Потому в ряде предыдущих родственных установок, а теперь и в самой NIF используется другой метод создания равномерного облучения мишени – так называемый непрямой привод (indirect drive). Заключается он в том, что лазеры направляют не в саму мишень с ядерным топливом, а в специальный полый цилиндрик под названием hohlraum (его вы видите на снимке под заголовком), выполненный из золота, внутри которого на полимерной распорке и подвешен топливный шарик. Мощный импульс лазеров, попадающий через торцевые отверстия на внутренние стенки цилиндра под точно рассчитанным углом, превращает его в плазму, которая окутывает топливный шарик и успевает выдать мощный импульс рентгеновского излучения, прежде чем разлетится прочь. Рентген и взрывает главную мишень, не хуже, а даже эффективнее, чем взорвало бы её прямое попадание лазеров. Устройство цилиндра hohlraum ("полость, "пустая комната" по-немецки) и принцип опосредованного подрыва топливного шарика (иллюстрации NIF). Благодаря мгновенному испарению внешнего слоя шарика последний сжимается так, что плотность вещества в нём подскакивает до 1 килограмма на миллилитр (то есть окажется примерно в 100 раз выше плотности свинца). Температура же вырастает до 100 миллионов градусов – это выше, чем в центре звезды. Такова теория ICF. Топливная капсула насчитывает в диаметре около 2 миллиметров и несёт в себе 150 микрограммов смеси дейтерия и трития. Капсула выполнена в основном из полимера, но в ней есть тонкий слой замороженного (при температуре 18 Кельвинов) льда из тяжёлых изотопов водорода. Абляционный слой снаружи капсулы может быть также полимерным, но как перспективный вариант исследователи в Ливерморской лаборатории намерены испытать и слой из бериллия или сплава бериллий-медь. Помимо надежд на большую стабильность сферы в момент сжатия, эти материалы предполагают возможность длительного хранения топливных шариков при комнатной температуре (когда водород внутри будет находиться в виде газа) с замораживанием непосредственно перед экспериментом (фото с сайта wikipedia.org).     Источник http://www.membrana.ru/articles/technic/2009/03/31/223000.ht... Любопытно, что физики уже умеют при помощи лазеров нагревать вещество аккурат до температуры центра Солнца, то есть до 10 миллионов градусов. Почему же для розжига реакции синтеза в дейтерий-тритиевой мишени нужно поднять эту планку ещё в 10 раз? Причина — давление. В солнечном ядре оно намного выше, чем в водородном шарике, потому и температурные условия для поддержания термоядерного синтеза в нашей родной звезде – более мягкие. Лазерная система – главная гордость NIF. Ведь к ней предъявлены феноменальные требования. Достаточно сказать, что оборудование, занимающее десятки и десятки метров и весящее десятки тонн, смонтировано в залах лаборатории с точностью в 100 микрометров.