37°41′27.09″ с. ш. 121°42′02″ з. д. / 37.690859, -121.700556 ^(G) (O)37.690859, -121.700556

National Ignition Facility (NIF, Национальный комплекс зажигания / Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) — научный комплекс для осуществления инерциального термоядерного синтеза (ICF) с помощью лазеров. Находится в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в городе Ливермор (штат Калифорния, США). Директор проекта NIF — Эдвард Мозес (Edward Moses).

На возведение комплекса ушло 12 лет и примерно 4 млрд $. Об окончании строительства NIF было объявлено 31 марта 2009 года. Ожидается, что выход термоядерной энергии на установке впервые превысит энергию, затраченную на запуск реакции.

Характеристики NIF

Комплекс состоит из 192 мощных лазеров, которые будут одновременно направляться на миллиметровую мишень. Мощность лазерной установки — 500 ТВт. Температура мишени будет достигать десятков миллионов градусов, при этом она сожмется в 1000 раз.

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 м, проходя последовательно цепочку из гигантских лазерных усилителей и преобразователей частоты.

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 мкм.

Теория ICF

Основной принцип ICF, также именуемый лазерным синтезом, прост: сосредоточить свет от множества мощных лазеров на маленькой мишени из смеси дейтерия и трития. Мгновенное испарение внешнего слоя создаст реактивную силу, направленную к центру, что приведёт к сильному сжатию мишени и её разогреву до температуры запуска термоядерной реакции.

Причём реакция, начавшись в центре мишени, распространится наружу во внешние, более холодные её слои намного раньше (буквально в наносекунды), чем весь сжатый материал разлетится в стороны. Потому данный метод удержания горячей плазмы и назван инерциальным. Однако предыдущие опыты показали, что даже с большим числом лазеров прямым облучением со всех сторон трудно добиться равномерного сжатия мишени, а это — ключ ко всему.

Микроскопические неравномерности, приводят к тому, что горячая плазма «расплескивается», прежде чем ударная волна внутри шарика запустит цепную и устойчивую реакцию синтеза. И даже если некоторые из ядер дейтерия и трития в момент такого «удара» сольются (а такое в прежних опытах уже происходило, в частности на установке Nova — предшественнице NIF, созданной также в Ливерморской лаборатории, но намного раньше — в 1984 году) — общая цель не будет достигнута.

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, 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.

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 Солнца.

Перспективы комплекса NIF

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.

Далее стоит подумать о промышленных системах такого рода, на которых полученную энергию можно было бы конвертировать в электричество. Это можно осуществить следующим образом: 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»).

См. также

• Международный экспериментальный термоядерный реактор
• Wendelstein 7-X

Ссылки

• Сайт проекта (англ.)
• Как NIF работает(англ.)
• Создана мощная лазерная установка для запуска термоядерной реакции.