Почему NIF не зажигает?

Это — hohlraum.

Уникальный комплекс National Ignition Facility — «Национальное Зажигательное Оборудование» в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса (США) обеспечивает проведение экспериментов с инерционным термоядерным синтезом. Это — самая мощная лазерная система в мире и уникальный лабораторный комплекс. Все, что касается оборудования и технических решений, заслуживает высших оценок и стоит очень дорого.

Место, где должен происходить термоядерный микровзрыв, называется немецким словом hohlraum. Золотая камера, которая должна обеспечить равномерный нагрев термоядерной таблетки электромагнитной энергией, излучаемой стенками. Нечто подобное с тем же названием и для того же самого имеет «водородная» бомба. Только большего размера, а источником фотонов служит рентгеновское излучение от первичного ядерного взрыва, проникающее в hohlraum через радиационный канал (interstage).

Через два входных отверстия внутренность золотой камеры освещают 192 ультрафиолетовых лазерных луча с общей мощностью до 500 Тераватт. В течении 3 — 5 наносекунд туда поступает 2 — 4 МДж энергии, которая должна переизлучаться стенками в рентгеновском диапазоне. Термоядерная таблетка содержит 15 микрограмм дейтерия и трития при температуре 18 К, а также закаченный во внутреннюю полость газ. Капсула имеет сферическую оболочку диаметром 2 мм. Ее аблирующее покрытие может быть выполнено из бериллия или имеет композитную структуру на основе полиэтилена. Оно поглощает до 100 КДж энергии, результатом чего является радиационная имплозия капсулы. Плотность вещества достигает 1000 г/куб.см, а температура дейтерий-тритиевой начинки поднимается до сотни миллионов градусов. После этого ей остается только одно. Взорваться, как термоядерная бомба или зажечься, как звезда — кому как больше нравится.

Расчетный выход микровзрыва может достигнуть 20 МДж, что эквивалентно 5 кг тротила. Формально будет иметь место эффективный, управляемый, инерционный, термоядерный синтез. Фактически, с учетом КПД лазерной системы не больше 1%, такая технология не приведет к практическому источнику энергии. Только для зарядки конденсаторов, питающих лазерные усилители, требуется 420 МДж. Но цель NIF — не производство электроэнергии, а фундаментальная наука.

Однако, энергоэффективная реакция, т.е., «термоядерное горение» упорно не получается. Хотя реакция имеет место быть. Газета «Нью-Йорк Таймс» опубликовала 6 октября 2012 критическую заметку о том, что программа NIF не достигла заявленных целей и не факт, что когда-нибудь достигнет www.nytimes.com/2012/10/07/opinion/sunday/a-big-laser-runs-into-trouble.html?_r=0. Сегодня уже можно сделать вывод о том, что цели NIF не достигнуты. Термоядерный синтез упорно не горит, на какие только ухищрения не шли ливерморцы!

Можно предположить, почему это должно было происходить. Сферически симметричное сжатие капсулы возможно только в состоянии термодинамического равновесия. В таком случае температура поверхности капсулы в каждой точке одинакова, что обеспечивает симметричную абляцию. Предположим, что события в hohlraume-е происходят так, как представляли себе теоретики проекта NIF.

Тогда вскоре после начала рентгеновского облучения (речь идет о долях наносекунды) поверхность сферической капсулы нагревается до десятков миллионов К и образуется сверхтонкий плазменный слой, находящийся в (квази)равновесии с излучением. Это означает, что приповерхностный слой плазмы излучает примерно столько же электромагнитной энергии, сколько и получает, но излучает ее также внутрь. Последнее ведет к прогреву капсулы в глубину и, соответственно, к утолщению плазменного слоя. По мере удаления от внешней поверхности его температура снижается до тех пор, пока излучение внутрь не станет пренебрежимо малым. При этом излучение наружу сравняется по интенсивности с падающим на капсулу излучением, т.е. наступит равновесие. Одновременно происходит расширение плазменного слоя за счет давления, что и является наиболее существенной для имплозии частью процесса абляции.

Принципиально важным является то обстоятельство, что в процессе абляции поверхность капсулы находится в термодинамическом (квази)равновесии с излучением. Это позволяет оценивать количество поступающей в капсулу энергии, используя закон Стефана-Больцмана для излучения абсолютно черного тела:

$$

где $$ — интенсивность излучения (Вт/кв.м) с поверхности или падающего на поверхность, нагретую до температуры $$ Кельвинов, $$ — постоянная Стефана-Больцмана (в СИ).

Отсюда следует, что падающее на капсулу излучение имеет Планковский спектр, отвечающий температуре $$ поверхности капсулы. Вот как выглядит такой спектр при $$ K, где $$ — доля фотонов с энергией $$ в общем числе фотонов, излучаемых за секунду (речь идет о плотности распределения числа фотонов по энергиям).

В этом спектре наибольшая плотность потока фотонов приходится на энергию немногим выше 10 КэВ, что отвечает рентгеновскому излучению с длиной волны порядка 1 Ангстрем. Это — типичный спектр излучения в зоне радиационной диффузии при взрыве ядерной бомбы (примерно 0.5 микросекунды после начала цепной реакции, порядка метра от точки зеро, ослепительной вспышки еще нет).

Но откуда берутся фотоны такого горячего Планковского спектра, поливающие капсулу снаружи? В лазерных лучах таких фотонов почти нет. Их излучают стенки hohlraum-а, нагретые лучами мега-лазера. По крайней мере, так считали теоретики проекта NIF.

Однако, здесь они вошли в противоречие с самим понятием hohlraum, т.к. этот термин означает камеру, внутренние стенки которой находятся в равновесии с излучением. Но падающее на стенки камеры нижнее ультрафиолетовое (по существу оптическое) лазерное излучение не может быть в термодинамическом равновесии с тепловым излучением, подчиняющимся закону Стефана-Больцмана (см. выше).

При этом у поверхности стенки также образуется плазменный слой с температурой $$ близкой к 100 млн. К. Плазма излучает и поглощает излучение, как абсолютно черное тело. Следовательно излучение, поглощенное поверхностным слоем плазмы у стенок камеры, имеет Планковский спектр при температуре $$. Но это не так хотя бы потому, что падающее излучение является лазерным. Кроме того (и это важнее!) — среди фотонов в лазерных лучах нет имеющих энергию ~10 КэВ. Энергия прибывающих в hohlraum снаружи фотонов в 3 — 4 000 раз меньше. Поэтому стенки hohlraum-а не могут быть в равновесии с излучением. Но термодинамическое (квази)равновесие неизбежно наступит по мере образования плазменного слоя и его разогрева подобно тому, как выше описано для капсулы. Налицо противоречие!

Таким образом, картинка событий в золотой камере, нарисованная воображением теоретиков из Ливермора, не соответствует реальности. Откуда они взяли, что таким способом можно устроить в hohlraum-е нечто подобное тому, что происходит в термоядерной бомбе, где отнюдь не оптические, а рентгеновские фотоны от взрыва первой ступени поливают вторую? extremal-mechanics.org/archives/695

Они взяли это из успешных экспериментов по лазерной рентгеновской генерации в тонкой фольге, освещаемой сверхмощным оптическим лазером, и других в таком роде, которых много проводилось в 90-х. Но, по-видимому, там не было чернотельного излучения, отвечающего температуре около 100 млн. К, и плазма в целом не прогревалась до такой температуры. Другими словами, эти процессы были термодинамически неравновесными. Стоит заметить, что энергия лазерного излучения, которое при этом наблюдалось, была ничтожной по сравнению с энергией нагрева.

Вот почему, несмотря на концентрацию колоссальной и, казалось бы, достаточной энергии, термоядерный синтез не получается. Процесс идет совсем не так, как представляли себе теоретики. Как следствие, не удалось достигнуть равномерной имплозии капсулы с D+T, а также не удалось нагреть ее до нужной температуры. По-видимому, с помощью NIF в принципе нельзя достигнуть равномерного нагрева капсулы с термоядерным горючим до достаточно высокой температуры так, как это происходит в термоядерной бомбе.

Так выглядит здание NIF. Почти все заполнено лазерной установкой.

Как видно из предыдущих рассуждений, для того, чтобы инерционный термоядерный синтез заработал, необходимо облучать капсулу рентгеновскими фотонами. То есть, нужно воспроизвести в миниатюре механизм радиационной имплозии, используемый в термоядерной бомбе. Источником рентгеновского излучения, имеющим достаточную интенсивность, является гипотетический рентгеновский лазер с накачкой ядерным взрывом extremal-mechanics.org/archives/75. Поскольку нужны фотоны с энергией ~10 КэВ, мощность взрыва накачки должна быть сотни килотонн или, возможно, мегатонны. Разумеется, идея поджигать синтез в объеме ~1 куб. мм с помощью взрыва в мегатонну является абсурдной.

Сегодня активно ведутся опыты с рентгеновскими лазерами на свободных электронах. Для генерации на частоте 1 Ангстрем они должны быть сопряжены с большими ускорителями электронов. Это — не менее циклопическое сооружение, чем NIF. Но может быть таким образом получится зажечь термоядерную бомбу или звезду в миниатюре — кому как нравится.

Заключительные замечания.

1. Квази-равновесным называется мгновенное состояние неравновесного процесса, которое можно считать равновесным с пренебрежимой погрешностью.

2. Предложение использовать рентгеновский лазер для разогрева термоядерной таблетки не противоречит утверждению о том, что падающее на стенки капсулы излучение должно иметь Планковский спектр. Оно будет иметь примерно такой спектр за счет неупругого рассеивания рентгеновских фотонов на стенках hohlraum-а.

3. Наверняка в моих рассуждениях можно найти много формальных неточностей. Это все-таки не научная, а научно-популярная статья (посмотрите, какую чепуху иногда публикует «Популярная механика»). Но все же, как мне кажется, суть главной проблемы NIF в этой статье отражена правильно.