Статьи

Быстрые - шаг вперёд к технологии вывода

Блок с БН-600 продлён до 2040 года

На Ленинградской АЭС завершились испытания ТУК для перевозок ОЯТ ВВЭР-1200

Китай - планы по гибридной станции

ЛАЭС-8 - залит первый бетон

Индия - Rajasthan-7 в сети

БФС-1 - физпуск критсборки для МОКС в ВВЭР-С

ЧМЗ - рекорд по производству оболочек

Россия и Мьянма подписали МПС по АСММ

Ленинград-6 - начался монтаж статора генератора

Документы

Генсхема-2042 (утверждённый вариант)

Конференции

TerraPower получила разрешение на подготовительные работы на площадке Natrium в штате Вайоминг

В мире статус действующего имеют 417 блоков, статус строящегося 62 блока - PRIS

В Димитровграде пройдёт молодёжная конференция специалистов предприятий Росатома и ФМБА России по развитию ядерных технологий

16-17 апреля 2025 года ОКБ ГИДРОПРЕСС проведёт XXV Международную конференцию молодых специалистов

В Москве отметили 125-летие со дня рождения Н.А.Доллежаля

Пресс-релизы

Врачи-онкологи познакомились с производством медицинских изделий в Физико-энергетическом институте

Памяти товарища - Красимир Христов

Более 10 заявок подали работники Физико-энергетического института для участия в отраслевой программе признания Человек года Росатома-2023

Новости ПО Старт

Новости ПО Старт

В Курчатове открыли мемориальную доску памяти ветерана атомной энергетики Германа Иванова

Более 13,7 млрд кВт-ч электроэнергии Смоленская АЭС выдала потребителям за 8 месяцев 2023 года

На Белоярской АЭС определили возможные технологии для переработки реакторного натрия

В Физико-энергетическом институте начались ремонтные работы в преддверии юбилея Первой в мире АЭС

Временный городок строителей Якутской АСММ открыт

Болгарский ядерный сайт

Золотой хольраум лазерного термояда

Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF) в Соединённых Штатах называют лазерным термоядом двойного назначения. Он призван помочь американским вооружённым силам поддерживать в боеспособном состоянии свои ядерные арсеналы в условиях моратория на ядерные испытания, и он же предлагает прорывные открытия, способные обеспечить цивилизацию морем чистой и дешёвой энергии.

Если верить прессе, то дела на NIF разворачиваются как нельзя удачно. Но у аудиторов главной бухгалтерской службы США (GAO, аналог российской Счётной палаты) есть в этом сомнения, которым они поделились с конгрессом в докладе за номером GAO-10-488.

NIF, NIC и NNSA

В марте 2009 года национальное управление США по ядерной безопасности (NNSA) завершило строительство NIF - проекта стоимостью 3,5 миллиарда долларов в национальной лаборатории Лоуренс Ливермор. В смету входят 2,2 миллиарда долларов, затраченных на собственно строительство, и 1,3 миллиарда долларов, ушедших на сборку и монтаж 192 лазеров и связанного оборудования.

Управление планирует создавать в NIF экстремально высокие давления и температуры, характерные для ядерных взрывов. Если всё пройдёт удачно, то новая установка позволит американцам исследовать характеристики ядерных взрывных устройств без их испытаний, запрещённых условиями принятого в США в 1992 году моратория.

NNSA по праву называет лазерный термояд "критическим компонентом" крупномасштабной программы по поддержанию боеготовности американских ядерных арсеналов. Военные задачи станут для NIF первоочередным приоритетом, но военное управление готово предоставлять мощности установки и для гражданских исследователей.

За проектирование и строительство NIF непосредственно отвечает национальная лаборатория Лоуренс Ливермор. Первые теоретические исследования, имеющие целью подготовку к появлению NIF, датируются мартом 1997 года. В 2005 году управление NNSA, выполняя директивы конгресса, создало компанию NIC (National Ignition Campaign) и поручило ей курировать управленческие вопросы по проекту. Кроме этого, для стороннего контроля за проектом приглашаются независимые эксперты и экспертные группы.

Лазеры и хольраум

Технология, используемая в NIF, может быть названа "лазерной термоядерной реакцией". В американской литературе за ней закрепился термин "ignition". После того, как всё будет готово, операторы NIF должны одновременно сконцентрировать пучки 192 лазеров на мишенях с размерами меньше 10-центовой монеты. Общая энергия пучков составит 1,8 МДж.

За один рабочий цикл продолжительностью порядка одной миллионной доли секунды, пучки должны пройти сквозь ряд оптических умножителей, после чего сфокусироваться на микроскопической мишени. Последняя будет располагаться внутри сферической камеры высотой 10 метров.

Схема установки NIF - рисунок аудиторов GAO.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра в полном масштабе.

Сама по себе мишень, в свою очередь, представляет собой полый золотой цилиндр. Его называют немецким словом "хольраум" (hohlraum) - это полость, чьи стенки пребывают в радиационном равновесии с полостью. В хольрауме, как в матрёшке, скрывается топливная капсула размером с перчинку. Она состоит из замороженного слоя дейтерия и трития, окружающего охлаждённую газообразную смесь этих же изотопов.

Лазеры установки NIF должны в ходе работы быстро нагревать внутренние стенки хольраума, которые будут конвертировать энергию лазера в рентгеновское излучение. В свою очередь, рентгеновские лучи должны быстро нагревать внешнюю поверхность топливной капсулы. При должном нагреве капсула должна схлопнуться с силой, сравнимой с возникающими при запуске ракеты, то есть должен произойти направленный внутрь взрыв (имплозия) дейтерий-тритиевого слоя.

Если имплозия пройдёт симметрично и с желаемой скоростью, то атомы дейтерия и трития будут принуждены к вступлению в реакцию синтеза длительностью 10 триллионных долей секунды. Температуры, которые будут создаваться в топливной капсуле, ожидаются порядка 100 миллионов градусов - то есть, в капсуле окажется горячее, чем в центре Солнца.

Схема переноса энергии в хольрауме - рисунок аудиторов GAO.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра в полном масштабе.

Предварительные испытания в обоснование процессов, заложенных в установке NIF, проходили в лаборатории лазерной энергетики университета Рочестера (Нью-Йорк). Лазерные системы OMEGA и OMEGA EP, действующие в лаборатории, играют на сегодняшний день роль рабочей лошадки для всех исследований, проводимых в NNSA по направлению лазерного термояда. До создания NIF, им принадлежал мировой рекорд по энергии лазерного пучка.

Мишени, хольраумы и другое связанное оборудование для NIF поставляет калифорнийская компания "General Atomics". Национальная лаборатория Лос-Аламоса отвечает за системы диагностики, а Сандийская лаборатория - за проведение вспомогательных исследований на установке "Z Machine", способной преобразовывать электромагнитное излучение в рентгеновское.

Технические проблемы

Приведёт ли создание NIF к успеху и смогут ли американские учёные зажечь термоядерную реакцию при помощи лазеров? Аудиторы GAO сухо напоминают о выводах независимой группы JASON, в которых перечислены стоящие перед разработчиками NIF технические проблемы.

Одна из главных задач - необходимо минимизировать потери лазерного излучения, то есть, существенно понизить долю энергии, которая пройдёт мимо хольраума или отразится от его стенок. Если отражение грозит простой потерей энергии, то каждый промахнувшийся пучок будет отрицательно влиять на симметричность сжатия топливной капсулы, ставя, тем самым, под сомнение факт инициации термоядерной реакции.

Даже самое точное нацеливание лазерного пучка не гарантирует полного успеха. Под воздействием лазерного излучения внутри хольраума стартует процесс ионизации, и образующийся заряженный газ вмешается в процессы передачи энергии. Говоря кратко, в результате взаимодействия ионизированных частиц и лазерных пучков часть прибывшей в хольраум энергии будет выведена обратно за его пределы.

Учёные называют такой процесс "нестабильностью типа лазер-плазма" (laser-plasma instability). Помимо потери энергии, он приводит также к нежелательной интерференции между лазерными пучками, что будет плохо сказываться на симметричности имплозии.

Вторая важнейшая проблема NIF связана со скоростью имплозии. Чтобы возбудить термоядерную реакцию, топливную капсулу следует сжать в 40 тысяч раз по сравнению с её исходным размером. При этом капсула обязана сохранять сферическую форму. Более того, имплозия должна происходить с заданной скоростью, иначе не получится создать давления, необходимые для начала синтеза лёгких ядер.

Если поверхность топливной капсулы не будет достаточно гладкой, или если рентгеновские лучи будут падать на капсулу неравномерно, то на капсуле начнут образовываться пальчикообразные выступы. Как показывают результаты расчётов по математическим моделям, образование выступов станет следствием гидродинамических нестабильностей, возникающих при контакте материалов с различными плотностями. Если выступов окажется слишком много, то термоядерная реакция не пойдёт, так как за счёт выступов будет снижаться температура внутри капсулы.

Пальчикообразные выступы на поверхности топливной капсулы - рисунок аудиторов GAO.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра в полном масштабе.

Кроме двух названных проблем, создатели NIF сталкиваются и с более традиционными, но от этого не менее серьёзными сложностями. Так, им нужно обеспечить надёжный контроль за состоянием оптики, которая, разумеется, будет со временем повреждаться проходящими через неё лазерными пучками.

Вначале таких повреждений будет мало, но со временем их количество начнёт расти, и если общий процент повреждений перевалит за определённый предел, то эксплуатация NIF на номинальных параметрах окажется невозможной.

К чести создателей NIF, они не устраняются от проблем. Был полностью переделан проект хольраума, и его новая конструкция обещает минимизировать потери лазерной энергии. Из его проекта были убраны покрытия точек входа лазерных пучков, как только оказалось, что благая на первый взгляд идея особым образом обустроить места попадания лучей в мишень ведёт к резкому росту нестабильностей "лазер-плазма".

После долгих поисков учёные остановились на гелии как материале, заполняющем хольраум. В исходном проекте предполагалось использовать смесь водорода и гелия. Эти и другие модификации прошли проверку боем в ходе первых экспериментов на NIF, выполнявшихся в 2009 году. Полученные результаты признаны удовлетворительными, и есть надежды избежать нестабильностей при работе на номинальной мощности.

Понимание процессов имплозии должно улучшиться после завершения серии компьютерных расчётов в двух- и трёхмерных моделях. Кроме этого, гидродинамическая нестабильность активно изучается на уже упоминавшемся комплексе OMEGA. Персонал NIF надеется также, что сумеет обеспечить контроль за состоянием оптики.

Работа NIF при суммарной энергии лазерных пучков 1,8 МДж отодвинута на 2011 год. До конца 2010 года установка будет трудиться с энергиями 1,2-1,3 МДж. По утверждению специалистов, при энергии 1,2 МДж потери энергии за счёт нестабильностей не превысили в первых экспериментах величины 6%, при том, что проект допускает 15%-ные потери.

Первые включения привели и к первым потерям в оптике. В марте 2009 года часть пучков была неожиданно отражена по дороге к мишени. "Удачный" залп в сочетании с погрешностью конструкции вывел из строя 4% от общего количества имеющихся в системе зеркал. К большой удаче, "расстрел" произошёл при низких энергиях пучков, в противном случае последствия могли оказаться ещё более худшими.

Установка NIF шаг за шагом продвигается к номиналу. Последние по времени результаты, полученные в экспериментах декабря 2009 года, получены при энергии лазеров 1,2 МДж.

Независимые эксперты призывают к осторожности. Они предсказывают, что NIF обязательно столкнётся с новыми технологическими и физическими проблемами, которые на данном этапе невозможно даже предсказать. А аудиторы GAO задаются вопросом - реален ли текущий график, согласно которому первая лазерная термоядерная реакция произойдёт в 2012 году?

ИСТОЧНИК: Михаил Сторожевой, AtomInfo.Ru

ДАТА: 13.04.2010

Темы: США, Наука, ЯОК, Мнения, Михаил Сторожевой

Type One Energy - термояд по-американски
Американская компания уверена в том, что для строительства термоядерной электростанции (ТЯЭС) не потребуется каких-либо научных прорывов. У стартапа уже есть первый заказчик - государственная энергетическая компания TVA.
В специальном выпуске журнала Journal of Plasma Physics были опубликованы шесть рецензируемых научных работ и редакционная статья. Публикации были посвящены научным разработкам компании, лежащим в основе её проекта.
Джон Каник (John Canik), главный научный и инженерный сотрудник Type One Energy, утверждает: Нам не нужен научный прорыв, чтобы понять, как мы собираемся это сделать. Нет никаких фундаментальных технических неизвестностей, которые нам нужно было бы выяснить.
В целом компания считает, что выполненные её сотрудниками более 70 тысяч расчётов на суперкомпьютерах дают полное представление о физике процесса. В то же время трудности...


Регуляторы Канады выдали строительную лицензию для BWRX-300 в Дарлингтоне

Новости ПО Старт

Производство закиси-окиси урана в США составило в IV квартале 2024 года 144,4 т по урану

Чемпионат AtomSkills- 2025 завершился

В машзал третьего блока АЭС Аккую переместили бак запаса питательной воды

Эксперты Шанхайского офиса ВАО АЭС подтвердили готовность Кольской АЭС к партнёрской проверке

На Калининской АЭС был организован техтур для участниц стипендиальной программы МАГАТЭ

Россия и Кыргызстан будут готовить специалистов по ядерной медицине

Мелитопольский университет будет готовить кадры для ЗАЭС

Гана определилась с потенциальными поставщиками для первых АЭС

Третий блок Курской АЭС остановлен на ППР

Первый блок Кольской АЭС включён в сеть после ППР

Вестингауз хотел бы поставлять топливо на АЭС Пакш-2 - чиновник США

Новости ПО Старт

Правительство Фиджи хочет купить микрореактор для океанского судна

Комплекс по опреснению морской воды начал работу на площадке АЭС Аккую

На Ленинградской АЭС завершились испытания ТУК для перевозок ОЯТ ВВЭР-1200

В Белоруссии новый министр энергетики

Правительство ЮАР выделило 66 млн долларов на нужды строительства нового исследовательского реактора

Стартап Marvel Fusion привлёк новые инвестиции


Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru

Поиск по сайту:


      © AtomInfo.Ru – независимый атомный информационно-аналитический сайт, 2006-2025.
      Свидетельство о регистрации СМИ Эл №ФС77-30792.
      ATOMINFO™ - зарегистрированный товарный знак.
      Использование и перепечатка материалов допускается при указании ссылки на источник.