День пятого июля в Ливерморской Национальной Лаборатории выдался жарким во всех смыслах. Отдел под названием «National Ignition Facility» провел эксперимент, в ходе которого 192 лазерных луча спроецировали на одну цель лучи суммарной мощностью в 500 триллионов ватт. Энергия, переданная цели составила всего 1,85 мегаджоулей, что не так уж и много: размер цели был 2 миллиметра в диаметре, а время воздействия составило всего 23 миллиардные секунды. Но когда в 60-ые в мире впервые заговорили об использовании энергии ядерного синтеза, о таких мощностях можно было только мечтать. Так как именно это заявлено конечной целью подобных экспериментов, сегодняшняя Техносреда посвящается технологиям, приближающим время, когда энергетика на ядерном синтезе станет возможной.
Пятьсот триллионов ватт, чтобы представить – это в 1000 раз больше, чем США потребляет в любой момент времени. Такие и даже большие мощности необходимы, чтобы создать условия для реакции ядерного синтеза с достаточно большим Q. Это соотношение энергии, затраченной на поддержание реакции, с энергией, которая выделяется при синтезе. Основная часть затрачиваемой энергии уходит на поддержания стабильности высокотемпературной плазмы, в которой может протекать синтез. Такая плазма образуется в водородной бомбе, которая «накачивается» первичной реакцией ядерного распада.
Значения Q, необходимые для самоподдерживающейся реакции синтеза, оцениваются около 5, для использования в реакторах – 10. Q равной единице, при этом, недостаточно, т.к. энергия выделается в виде спектра излучений, только альфа-составляющая из которого может создавать самоподдерживающийся процесс. Считается, что японский «токамак» JT-60 в 1998-ом году запустил реакцию с Q в 1,25.
Работы над энергией ядерного синтеза ведутся и в других центрах. В частности, в европейском центре HiPER, японских центрах, Китае, в России и других странах.
Один из подходов к запуску управляемого ядерного синтеза – создание все более мощных лазеров. Лазеры в Ливерморе излучают в ультрафиолетовом диапазоне (lasers.llnl.gov/about/nif/about.php). Их суммарная мощность превосходит подобные системы более чем в 60 раз. На короткие промежутки времени эти лазеры разогревают цель до 100 миллионов градусов и создают давление, превосходящее атмосферное в 100 миллиардов раз. Поскольку воздействие на цель длиться всего миллиардные доли секунды, важно, чтобы лучи ото всех 192-х лазеров попадали на цель с очень небольшим разбросом во времени: не более 30 пикосекунд. На практике это означает высокую точность оптических каналов, по которым идет свет. Их длина имеет погрешность не более 9 мм.
Рекорд, установленный в Ливерморе в начале месяца – это результат довольно длительного технологического процесса, который позволяет создать надежную оптическую систему, выдерживающую огромные мощности. На практике это означает более высокую культуру производства световодов, контроль их качества и повышенную надежность. Ранее многие из них выходили из строя после первого же использования на высоких мощностях.
Концепция удержания плазмы с помощью мощных лазеров была предложена в Ливерморской лаборатории в 60-ые годы. Вскоре после ее создания вышли оценки необходимой мощности: около 1 мегаджоуля. Теперь эти значения достигнуты, но удержание плазмы в стабильном состоянии пока еще очень и очень далеко и оценивается как достижимое не ранее 2050-го года.
Помимо отдаленной перспективы ядерного синтеза лаборатория разрабатывает другие уникальные направления. В частности, условия, которые создаются на цели, сходны тем, что существуют в эпицентрах ядерных взрывов, и физики, таким образом, могут изучать их без проведения ядерных испытаний. Нелишне упомянуть и военное назначение мощных лазеров: чем больше достигнутая ими пиковая мощность, тем шире их военное применение.
Пятьсот триллионов ватт, чтобы представить – это в 1000 раз больше, чем США потребляет в любой момент времени. Такие и даже большие мощности необходимы, чтобы создать условия для реакции ядерного синтеза с достаточно большим Q. Это соотношение энергии, затраченной на поддержание реакции, с энергией, которая выделяется при синтезе. Основная часть затрачиваемой энергии уходит на поддержания стабильности высокотемпературной плазмы, в которой может протекать синтез. Такая плазма образуется в водородной бомбе, которая «накачивается» первичной реакцией ядерного распада.
Значения Q, необходимые для самоподдерживающейся реакции синтеза, оцениваются около 5, для использования в реакторах – 10. Q равной единице, при этом, недостаточно, т.к. энергия выделается в виде спектра излучений, только альфа-составляющая из которого может создавать самоподдерживающийся процесс. Считается, что японский «токамак» JT-60 в 1998-ом году запустил реакцию с Q в 1,25.
Работы над энергией ядерного синтеза ведутся и в других центрах. В частности, в европейском центре HiPER, японских центрах, Китае, в России и других странах.
Один из подходов к запуску управляемого ядерного синтеза – создание все более мощных лазеров. Лазеры в Ливерморе излучают в ультрафиолетовом диапазоне (lasers.llnl.gov/about/nif/about.php). Их суммарная мощность превосходит подобные системы более чем в 60 раз. На короткие промежутки времени эти лазеры разогревают цель до 100 миллионов градусов и создают давление, превосходящее атмосферное в 100 миллиардов раз. Поскольку воздействие на цель длиться всего миллиардные доли секунды, важно, чтобы лучи ото всех 192-х лазеров попадали на цель с очень небольшим разбросом во времени: не более 30 пикосекунд. На практике это означает высокую точность оптических каналов, по которым идет свет. Их длина имеет погрешность не более 9 мм.
Рекорд, установленный в Ливерморе в начале месяца – это результат довольно длительного технологического процесса, который позволяет создать надежную оптическую систему, выдерживающую огромные мощности. На практике это означает более высокую культуру производства световодов, контроль их качества и повышенную надежность. Ранее многие из них выходили из строя после первого же использования на высоких мощностях.
Концепция удержания плазмы с помощью мощных лазеров была предложена в Ливерморской лаборатории в 60-ые годы. Вскоре после ее создания вышли оценки необходимой мощности: около 1 мегаджоуля. Теперь эти значения достигнуты, но удержание плазмы в стабильном состоянии пока еще очень и очень далеко и оценивается как достижимое не ранее 2050-го года.
Помимо отдаленной перспективы ядерного синтеза лаборатория разрабатывает другие уникальные направления. В частности, условия, которые создаются на цели, сходны тем, что существуют в эпицентрах ядерных взрывов, и физики, таким образом, могут изучать их без проведения ядерных испытаний. Нелишне упомянуть и военное назначение мощных лазеров: чем больше достигнутая ими пиковая мощность, тем шире их военное применение.
