Лоуренс Ливермор заявляет, что стал важной вехой в лазерном синтезе

ЛоуренсЛиверморзаявляетчтосталважнойвехойвлазерномсинтезе
National Ignition Facility preamplifier support structure.
Предварительные усилители в Национальном центре зажигания увеличивают энергию лазерных лучей, которые в конечном итоге облучают водородное топливо. Фотография усилена цветом. Предоставлено: Дэмиен Джемисон / LLNL

Объявлена ​​Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса (LLNL). сегодня, что он произвел реакцию синтеза в лаборатории, которая дала больше энергии, чем было поглощено топливом, чтобы инициировать ее.

Заполнение капсулы термоядерного топлива размером BB ультрафиолетовым светом от 250 лазеры в лаборатории National Ignition Facility (NIF) стоимостью 3,5 миллиарда долларов, ученые говорят, что они вызвали термоядерные реакции, которые высвободили 1,3 мегаджоулей энергии, что примерно в пять раз превышает 250 килоджоулей, которые были поглощены капсулой. Это излучение энергии из крошечной капли плазмы – примерно куба со сторонами, равными ширине человеческого волоса – произошло в пределах примерно 100 триллионных долей секунды, чтобы получить более 10 16 ватт мощность.

Выстрел, произведенный 8 августа, разрушил предыдущий рекорд урожайности объекта 192 кДж, наблюдаемый в феврале, и составлял 28 раз выше, чем лучшие результаты, полученные всего год назад. «У каждого есть пружина в шаге, – говорит директор NIF Марк Херрманн. Результаты еще не прошли экспертную оценку.

Хотя достижение представляет собой веху в исследованиях термоядерного синтеза, лаборатория остановилась. объявления возгорания, цель, ради которой была названа NIF и которую планировалось достичь посредством 2016. Мощность термоядерного синтеза была ниже 1,9 МДж, которую лазер NIF направил на полую цель, называемую хольраумом, в которой была подвешена топливная капсула. В 1997 Национальная академия наук в обзоре конструкции NIF определила воспламенение как мощность плавления, равную или более чем подводимая энергия лазера. В подходе NIF, известном как непрямой привод, 100% энергии лазера теряется при преобразовании УФ в рентгеновское излучение, которое происходит внутри хольраума.

Стивен Боднер, бывший директор программы лазерного синтеза в Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) и упорный критик NIF и подхода с непрямым приводом поздравил лабораторию с достижением, заявив, что для него это было достаточно близко к воспламенению. «Они добились впечатляющего прогресса», – говорит он. «Я удивлен, что они нашли способ минимизировать проблемы лазера и плазмы», – говорит он. Он добавил, что «это демонстрирует миру, что нет фундаментальной причины, по которой лазерный синтез не может работать».

Но Боднер предупреждает, что результаты NIF не будут экстраполированы на более высокий выигрыш в энергии из-за неэффективности процесса косвенного возбуждения. «Если вы хотите получить высокий коэффициент усиления, вы должны напрямую осветить цель», – говорит он, имея в виду подход, применяемый в Лаборатории лазерной энергетики (LLE) и NRL, где лазерные лучи симметрично направляются на топливную капсулу.

A laser fusion shot at the National Ignition Facility.
Цветное изображение лазерного термоядерного выстрела, проведенного на Национальном заводе по зажиганию в 2017. Предоставлено: Don Jedlovec / LLNL

Майкл Кэмпбелл, директор LLE в Университет Рочестера в Нью-Йорке говорит, что воспламенение было достигнуто с помощью большинства научных мер, включая степень, в которой альфа-частицы в результате реакций синтеза нагревают плазму и создают больше термоядерного синтеза. «Это дает США возможность лаборатории изучать горящую плазму и физику высоких энергий, имеющую отношение к руководство », – говорит он. «Это огромное научное достижение». Как и NIF, LLE и его лазер Omega финансируются Национальным управлением по ядерной безопасности (NNSA) Министерства энергетики США.

Джилл Хруби – заместитель министра ядерной безопасности Министерства энергетики США и администратор NNSA. «Эти выдающиеся результаты NIF продвигают науку, от которой зависит NNSA при модернизации нашего ядерного оружия и производства. Он также предлагает новые потенциальные возможности для исследований альтернативных источников энергии, которые могут помочь экономическому развитию и борьбе с изменением климата », – сказала она в пресс-релизе .

По большинству мер Результаты NIF превосходят лучшие результаты, достигнутые в токамаках, которые разливают термоядерную плазму в магнитных полях. В 1997 Объединенный европейский тор сгенерировал примерно 17 МВт, примерно две трети мощности, необходимой для запуска

Исследование лазерного термоядерного синтеза, также известного как термоядерный синтез с инерционным удержанием, было начато в LLNL Джоном Наколлсом, который стал директором лаборатории вскоре после изобретения лазера в 1997. Целью всегда было создать в лабораторном масштабе то, что происходит на вторичной стадии термоядерного оружия.

Когда NIF открыт для экспериментов в 2012, на пять лет позже графика, ученые LLNL были уверены, что они могут достичь воспламенения в кратчайшие сроки. два года. Эти согласованные усилия, известные как Национальная кампания за зажигание, формально истекли в 2012 (см. Физика сегодня , октябрь 2012, стр. 33 ), а частота термоядерных выстрелов была уменьшена в пользу других исследований в поддержку программы ядерного оружия.

Но экспериментаторы продолжали тестировать самые разные составы и различные формы капсул и хольраумов, одновременно настраивая синхронизацию и последовательность лазерных импульсов. До сих пор им не удавалось взорвать топливную капсулу с точной степенью симметрии, необходимой для предотвращения выдавливания плазмы.

За прошедшие годы лаборатория разработала набор уникальных диагностических инструментов, которые позволили получить более четкую картину динамики реакции. Среди инструментов – приборы для трехмерной нейтронной и двумерной рентгеновской визуализации, а также времяпролетные детекторы нейтронов (см. Физика сегодня , февраль 2017, страница 33 ). Херрманн отметил, что в предыдущих экспериментах нейтроны, покидающие капсулу с одной стороны имплозии, прибыли на несколько пикосекунд раньше, чем нейтроны, летящие с противоположной стороны. Эти чрезвычайно чувствительные измерения показали, что плазма устремилась в одном направлении. Проблема была связана с капсулами, округлость которых составляла доли микрона.

Лаборатория еще не воспроизвел результаты этого месяца, и Херрманн предупредил, что это может быть непросто. «Мы не знаем, какая вариативность будет в последовательных кадрах. Это нелинейный процесс, при котором альфа-нагрев нагревает термоядерное топливо и создает больше термоядерного синтеза, что создает больше тепла ». Херрманн говорит, что альфа-частицы с энергией 3,5 МэВ, которые остаются в плазме, создают 25% выхода плавления с 14 МэВ нейтроны составляют большую часть энергии.

Далее эксперименты потребуют изготовления дополнительных топливных капсул и хольраумов. Они могут быть готовы не раньше октября, говорит Херрманн. Капсула с нанокристаллическим алмазным покрытием, взорвавшаяся в этом месяце, выросла за шесть месяцев в компании General Atomics, которая долгое время работала с LLNL над изготовлением капсул. Сферы должны быть отполированы, а внутренняя часть сердечника протравлена ​​с помощью инструментов, вставленных через просверленное в нем отверстие диаметром 2 микрона. Смесь трития и дейтерия вводится через крошечную наполняющую трубку непосредственно перед выстрелом.

Лаборатория все еще анализирует результаты выстрела. Пока неизвестно, какая или какая комбинация достижений целей, длительности лазерного импульса или других переменных привела к скачку производительности. Некоторые инструменты были насыщены неожиданным выходом реакции. Некоторые из них, которые используются в целевой камере для других экспериментов, не связанных с воспламенением, потребуют ремонта.

Херманн признал, что объявление отклоняется от стандартной практики рецензируемых публикаций. Но результаты, по его словам, просачивались, «поэтому мы хотели опубликовать его, чтобы люди могли обсудить факты».

Примечание редактора, 17 Август: первое предложение было обновлено, чтобы уточнить, что реакция синтеза не соответствует определению воспламенения Национальной академии наук.

Leave a comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *

20 − 6 =