Термоядерный синтез с инерционным удержанием

редактировать
Термоядерный синтез с инерционным удержанием с использованием лазеров быстро прогрессировал в конце 1970-х и начале 1980-х. -х годов, когда возможность доставки только несколько джоулей лазерной энергии (на импульс), чтобы иметь возможность доставить десятки килоджоулей к цели. На этом этапе для экспериментов потребовались невероятно большие научные устройства. Здесь вид 10-лучевого LLNL Nova laser, показанный вскоре после завершения работы над лазером в 1984 году. Примерно во время создания его предшественника, Shiva laser, лазерный синтез вошел в сферу «большой науки ".

термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF ) - это тип , цель которого - инициировать реакцию ядерного синтеза , обычно в форме таблетки, которая всего содержит смесь дейтерия и трития. Типичное топливо Гранулы размером с булавочную головку содержат около 10 миллиграммов топлива.

Для сжатия энергии передается во внешний слой мишени с помощью высокоэнергетических лучей. лазерного света, электронов или наш, хотя по разным причинам почти все устройства ICF по состоянию на 2015 г. использовали лазеры. Нагретый внешний слой взрывается наружу, создавая силу против оставшаяся часть цель, ускоряя ее внутрь, сжимая цель. Этот процесс для создания ударных волн, которые проходят через цель. Достаточно мощный набор ударных может сжать и нагреть топливо в центре настолько, что возникновение конфликта.

ICF - одно из двух основных исследований в области термоядерной энергии, второе - термоядерный синтез с магнитным удержанием. Когда он был впервые предложен в начале 1970-х, ICF казался практическим подходом к производству электроэнергии, и эта область процветала. Эксперименты 1970-х и 80-х годов показали, что эффективность этих устройств была намного ниже, чем ожидалось, и достичь зажигания будет нелегко. На протяжении 1980-х и 90-х годов было проведено множество экспериментов, чтобы понять сложное взаимодействие высокоинтенсивного лазерного света и плазмы. Это к созданию более новых машин, гораздо более крупных, которые, наконец, достигли возможности энергии воспламенения.

Крупнейший оперативный эксперимент ICF - это National Ignition Facility (NIF) в США, используя использование многолетнего опыта более ранних экспериментов. Однако, как и в предыдущих экспериментах, NIF не смог достичь воспламенения и по состоянию на 2015 г. генерирует около ⁄ 3 требуемых уровней энергии.

Содержание

  • 1 Описание
    • 1.1 Базовое влияние
    • 1.2 Механизм действия МКФ
    • 1.3 Проблемы с успешным достижением
  • 2 История
    • 2.1 Первое зачатие
      • 2.1.1 В США
      • 2.1.2 В Германии
      • 2.1.3 В СССР
    • 2.2 Ранние исследования
    • 2.3 Начало разработки
    • 2.4 Высокоэнергетический ICF
    • 2.5 Шива и Нова
    • 2.6 Национальный центр зажигания
    • 2.7 Быстрое зажигание
    • 2.8 Другое проекты
  • 3 Как источник энергии
    • 3.1 Технические проблемы
    • 3.2 Практические проблемы
    • 3.3 Экономическая жизнеспособность
  • 4 Прогнозируемое развитие
  • 5 Программа ядерного оружия
  • 6 Источник нейтронов
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Библиография
  • 10 Внешние ссылки

Описание

Базовое слияние

Лазер с непрямым приводом ICF использует hohlraum, который облучается конусы лазерного луча с обеих сторон на внутренней поверхности для купания микрокапсула слияния внутри с гладкими рентгеновскими лучами высокой мощности. Рентгеновские лучи с наивысшей энергией просачиваются через хольраум, представленные здесь оранжевым / красным.

Реакции проводят объединяют более легкие атомы, такие как водород, вместе с образованием более крупных. Обычно реакции протекают при таких высоких температурах, что атомы были ионизированы, а их электроны улетучивались теплом; таким образом, синтез обычно описывается в терминах «ядер», а не «элементов».

Ядра заряжены положительно и, таким образом, отталкиваются друг от друга от друга из-за электростатической силы. Преодоление этого отталкивания требует значительного количества энергии, известного как кулоновский барьер или энергию барьера слияния. Как правило, для слияния более легких ядер требуется меньше энергии, поскольку они имеют меньший заряд и, следовательно, более низкую энергию барьера, а когда они сливаются, выделяется больше энергии. По мере увеличения ядерной энергии наступает момент, когда реакция больше не выделяет чистую энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера, больше, чем энергия, выделяемая в результате реакции синтеза.

Лучшее топливо с точки зрения энергетики - это однозначная смесь дейтерия и трития ; оба являются тяжелыми изотопами водорода. Смесь D-T (дейтерий и тритий) имеет низкий барьер из-за высоких отношений нейтронов к протонам. Присутствие нейтральных нейтронов в ядрах помогает объединить их посредством ядерной силы, в то время как присутствие положительно заряженных протонов раздвигает ядро ​​посредством электростатической силы. Тритий имеет одно из самых высоких отношений нейтронов к протонам среди всех стабильных или умеренно нестабильных нуклидов - два нейтрона и один протон. Добавление протонов или удаление нейтронов увеличивает энергетический барьер.

Смесь Д-Т при стандартных условиях не подвергается слиянию; ядра должны быть соединены вместе, прежде чем ядерная сила сможет собрать их в стабильные скопления. Даже в горячем и плотном центре Солнца средний протон будет существовать миллиарды лет, прежде чем сгорит. Для практических систем термоядерной энергии скорость должна быть значительно увеличена за счет системы топлива до десятков миллионов градусов или его сжатия до огромных давлений. Температура и давление, необходимые для плавления любого конкретного топлива, известны как критерий Лоусона. Эти условия известны с 1950-х годов, когда были построены первые водородные бомбы. На Земле сложно выполнить критерий Лоусона, объясняет, почему исследованиям термоядерного синтеза потребовалось много лет, достичь нынешнего высокого уровня технического мастерства.

Механизм действия ICF

В водородной бомбе термоядерное топливо сжимается и нагревается отдельной бомбой деления (см. проект Теллера-Улама ). Различные механизмы передают энергию "первичного" взрыва деления в термоядерное топливо. Первичный механизм заключается в том, что вспышка рентгеновского излучения, испускается первичной обмоткой, задерживается внутри сконструированного корпуса бомбы, в результате чего пространство между корпусом и бомбой заполняется рентгеновским «газом». Эти рентгеновские лучи равномерно освещают внешнюю часть термоядерной секции, «вторичную», быстро нагревая ее, пока не взорветсяу. Этот выброс наружу заставляет остальную часть вторичной обмотки сжимать внутрь до тех пор, пока она не достигает температуры и плотности, при начале синтеза.

Требование бомбы деления делает этот метод непрактичным для выработки электроэнергии. Мало того, что триггеры было бы непомерно дорого официального, но и существует минимальный размер, который может быть изготовлен для такой бомбы, примерно определяемый критической массой используемого плутониевого топлива. Как правило, создание ядерных устройств мощностью менее 1 килотонны кажется трудным, и вторичный термоядерный реактор мог бы добавить к этому. Это усложняет инженерную задачу извлечения энергии из полученных взрывов; Проект PACER изучает решения инженерных проблем, но также демонстрирует, что стоимость просто нецелесообразна с экономической точки зрения.

Один из участников PACER, Джон Наколлс, начал исследовать, что случилось с размером первичной обмотки, необходимой для начала реакций слияния, когда размер вторичной обмотки был уменьшен. Он обнаружил, что по мере того, как вторичная обмотка достигает миллиграмма, количество энергии, необходимое для ее искры, падает до мегаджоулей. Это было намного меньше того, что требовалось для бомбы, где первичная обмотка находилась в диапазоне тераджоулей, что эквивалентно примерно 0,24 кТ в тротиловом эквиваленте.

Это было бы экономически нецелесообразно, такое устройство стоило бы больше, чем стоимость производимой им электроэнергии. Существующее множество других устройств, которые могли бы использовать такой уровень энергии. Это к идее использования устройства, которое будет использоваться термоядерному топливу, механическому разделу. К середине 1960-х кажется, что лазер разовьется до точки, где доступны требуемые уровни энергии.

Обычно в системах ICF используется один лазер, драйвер, луч которого разделяется на несколько лучей, которые индивидуально усиливаются в триллион раз или более. Они отправляются в реакционную камеру (называемую камеру) с помощью нескольких зеркал, равномерно освещать цель по всей ее поверхности. Тепло, прикладываемое водителем, вызывает взрыв внешнего слоя цели, точно так же, как внешние слои топливного цилиндра водородной бомбы, освещенные луковскими лучами устройства деления.

Материал, оторвавшийся от поверхности, заставляет оставшийся внутри материал с большой силой выталкиваться внутрь, в конечном итоге превращаясь в крошечный шар, почти сферический. В устройствах ICF плотность образующейся топливной современной смеси в сто раз плотность плотности, около 1000 г / см. Эта плотность недостаточно высока, чтобы создать какую-либо полезную скорость плавления. Однако во время схлопывания топлива ударные волны также образуются и распространяются в центр топлива с высокой скоростью. Когда они встречают своих собратьев, движущихся с других сторон топлива в центре плотности, эти пятна увеличиваются еще больше.

При правильных условиях скорость синтеза в области, сильно сжатой ударной волной, может испускать большое количество высокоэнергетических альфа-частиц. Из-за высокой плотности окружающего топлива они перемещаются лишь на небольшое расстояние, прежде чем «термализуются», теряя свою энергию в топливо в виде тепла. Эта дополнительная энергия вызовет дополнительных реакций в нагретом топливе с выделением количества частиц с высокой энергией. Этот процесс распространяется наружу от центра, приводя к своему типу самоподдерживающему ожогу, известному как воспламенение.

Схема этапов термоядерного синтеза с инерционным удержанием с использованием лазеров. Синие стрелки обозначают излучение; оранжевый - бледный; фиолетовый - переносимая внутрь тепловая энергия.
  1. Лазерные лучи или рентгеновское излучение, создаваемый лазером, быстро нагревают поверхность термоядерной мишени, образуя поверхность плазменную оболочку.
  2. Топливо сжимается ракетным выбросом горячего материала с поверхности.
  3. Во время финальной части капсулы плотности топлива в зоне 20 раз плотность свинца, и он воспламеняется при 100000000 ˚C.
  4. Термоядерное горение быстро распространяется через сжатое топливо, давая во много раз больше

Проблемы с успешным достижением

Основные проблемы с использованием ранних экспериментов ICF с ранних экспериментов в 1970-х годах заключались в доставке энергии к цели, контроле симметрии взрывающегося топлива, предотвращает преждевременное смешивание горячего и холодного топлива из-за гидродинамической нестабильности и образования «плотного» схождения ударной центр волны в ядре топлива.

Чтобы сфокусировать ударную волну в центре цели, цель должна быть сделана с очень высокой точностью и сферичностью с аберрациями не более несколькими микрометров по ее поверхности (внутренней и внешней). Точно так же наведение лазерных лучей должно быть очень точным, и лучи должны приходить в одно и то же время во все точки на цели. Тем не менее, синхронизация луча является относительно простым методом использования периода задержки на оптическом пути лучей для достижения точности синхронизации пикосекунд. Другая серьезная проблема, мешающая достижению симметрии и высоких температур / плотностей схлопывающейся мишени, - это так называемый дисбаланс «пучок-пучок» и анизотропия пучка. Эти проблемы, соответственно, состоят в том, что энергия, передается одним лучом, может быть выше или ниже, чем у других лучей, падающих на цель, и в «горячих точках» в пределах диаметра луча, поражающих цель, что вызывает неравномерное сжатие на поверхности цели, тем формируя нестабильности Рэлея-Тейлора в топливе, преждевременное его перемешивание и снижение эффективности во время сжатия. Неустойчивость Рихтмайера-Мешкова также формируется в процессе из-за образования ударных волн.

Мишень для термоядерного синтеза с инерционным ограничением, представляющая собой заполненную пеной цилиндрическую мишень с механически обработанным лазером Nova Laser. Этот снимок был сделан в 1995 году. Изображение показывает сжатие цели, а также рост нестабильности Рэлея-Тейлора.

Все эти проблемы смягчения в разной степени за последние два десятилетия. использование различных методов сглаживания пучка и диагностики энергии пучка для уравновешивания энергии пучка; однако нестабильность RT остается серьезной проблемой. Конструкция мишени также значительно улучшилась с годами. Современные криогенные водородные ледяные мишени, как правило, замораживают тонкий слой дейтерия внутри пластиковой сферы, облучают ее маломощным ИК лазером для сглаживания внутренней поверхности во время наблюдения. с помощью микроскопа, оснащенного камерой, что позволяет тщательно контролировать слой, его «гладкость». Криогенные мишени, заполненные смесью дейтерия и трития (D-T), «самосглаживаются» из-за небольшого количества тепла, создаваемого распадом радиоактивного изотопа трития. Это часто называют «бета слоем».

Макет позолоченного National Ignition Facility (NIF) hohlraum. Термоядерный синтез с инерционным удержанием топливная микрокапсула (иногда называемая «микрошариком») размера, используемого в NIF, который может быть заполнен газообразным дейтерием и тритием или льдом DT. Капсула может быть либо вставлена ​​в хольраум (как указано выше) и взорвана в режиме непрямого привода, либо облучена непосредственно лазерной энергией в конфигурации прямой привод . Микрокапсулы, использовавшиеся в предыдущих лазерных системах, были значительно меньше из-за менее мощного излучения, которое более ранние лазеры могли доставить к цели.

Некоторые цели окружены небольшим металлическим цилиндром, который облучается лазерными лучами вместо самой цели. подход, известный как «непрямое влечение». При таком подходе лазеры фокусируются на внутренней стороне цилиндра, нагревая его до сверхгорячей плазмы, которые излучает в основном рентгеновские лучи. Рентгеновское излучение плазмы поглощаемой поверхностью мишени, взрывая ее так же, как если бы она была напрямую поражена лазером. Поглощение теплового рентгеновского излучения мишенью более эффективно, чем прямое поглощение лазерного света, однако эти hohlraum или «камера сгорания» также потребляют значительную энергию для собственного сообщения, что значительно снижает общую эффективность передачи энергии от лазера к мишени. Таким образом они обсуждаются даже сегодня; столь же многочисленная конструкция «прямого привода» их не использует. Чаще всего для моделирования испытаний термоядерного оружия используются мишени непрямого действия из хольраума в связи с тем, что термоядерное топливо в них также взрывается в основном под рентгеновского излучения.

Изучаются драйверы ICF. Лазеры значительно улучшились с 1970-х годов, увеличенную мощность и мощность от нескольких джоулей и киловатт до мегаджоулей (см. NIF лазер) и сотен тераватт, используя в основном частоту . двойной или тройной свет от усилителей из неодимового стекла.

Пучки необычайно важными для коммерческого производства, их легко создавать, контролировать и фокусировать. С другой стороны, очень трудно достичь очень высоких плотностей энергии, необходимых для использования ионно-лучевых систем, использующих хольраума, окружающего мишень, для использования облучения, что снижает общую эффективность связи. энергии ионного пучка до энергии взрывающейся мишени.

История

Первая концепция

В США

история термоядерного синтеза с инерционным удержанием восходит к конференции «Атом во имя мира», состоявшейся в 1957 году в Женева. Это была большая международная конференция сверхдержав США и России, спонсируемая ООН. Среди множества тем, затронутых в ходе мероприятия, некоторые думали об использовании водородной бомбы для обогрева заполненной водой пещеры. Полученный пар затем будет использоваться для питания обычных генераторов и, таким образом, для выработки электроэнергии.

Эта встреча привела к усилиям Operation Plowshare, получившим это название в 1961 году. Были изучены три основные концепции в составе Plowshare; производство энергии в рамках проекта PACER, использование крупных ядерных взрывов для земляных работ и как своего рода ядерный гидроразрыв пласта для газовой промышленности. PACER был непосредственно испытан в декабре 1961 года, когда устройство 3 кт Project Gnome было размещено в слое соли в Нью-Мексико. Несмотря на все теоретические рассуждения и попытки остановить это, радиоактивный пар вышел из буровой шахты на некотором расстоянии от полигона. Дальнейшие исследования в рамках PACER привели к появлению ряда искусственно созданных полостей, заменяющих естественные, но за этот период все усилия Plowshare стали еще хуже, особенно после неудачи Sedan 1962 года, выпустившей огромное количество выпадение. Тем не менее, PACER продолжал получать определенное финансирование до 1975 года, когда исследование третьей стороны продемонстрировало, что стоимость электроэнергии от PACER будет эквивалентна стоимости электроэнергии на обычных атомных станциях с затратами на топливо более чем в десять раз выше, чем они были.

Другое Результатом конференции «Атом для мира» стало побуждение Джона Наколла начать рассмотрение того, что происходит на термоядерной стороне бомбы. Когда бомба деления взрывается, она испускает рентгеновские лучи, которые взрывают сторону термоядерного синтеза. Этот «вторичный» был уменьшен до очень маленького размера. Его самая ранняя работа была связана с изучением того, насколько мала может быть сделана термоядерная бомба, при этом сохраняя большое «усиление » для обеспечения выхода чистой энергии. В этой работе было высказано предположение, что при очень малых размерах, порядка миллиграммов, для его воспламенения потребуется очень мало энергии, намного меньше, чем для «первичной» деления. Он предложил создать, по сути, крошечную термоядерную взрывчатку, используя крошечную каплю топлива D-T, подвешенную в центре металлической оболочки, ныне известной как хольраум. Оболочка обеспечивала тот же эффект, что и кожух бомбы в водородной бомбе, улавливая рентгеновские лучи внутри, так что они облучают топливо. Основное отличие состоит в том, что рентгеновские лучи будут подаваться не первичной обмоткой внутри оболочки, а каким-то внешним устройством, которое нагревает оболочку снаружи до тех пор, пока она не начнет светиться в рентгеновской области (см. тепловое излучение ). Электроэнергия будет поставляться неизвестным тогда импульсным источником энергии, который он назвал, используя терминологию бомбы, "первичным".

Основным преимуществом этой схемы является эффективность процесса термоядерного синтеза при высоких плотностях. Согласно критерию Лоусона, количество энергии, необходимое для нагреваD-T до безубыточного состояния при атмосферном давлении, возможно, в 100 раз, чем энергия, необходимая для его сжатия до давления, обеспечивает такую ​​же скорость плавления. Таким образом, теоретически подход ICF был бы значительно более эффективным с точки зрения выгоды. Это можно понять, рассматривая потери энергии в обычном сценарии, когда топливо медленно нагревается, как в случае энергия магнитного синтеза ; Скорость распространения энергии в окружающей среде. В случае ICF весь хольраум заполнен высокотемпературным излучением, что ограничивает потери.

В Германии

Примерно в то же время (в 1956 году) в Институте Макса Планка была организована встреча. в Германии пионером термоядерного синтеза Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером. На этой встрече Фридвардт Винтерберг использует применение термоядерного микровзрыва без деления с помощью сходящейся ударной волны, возбуждаемой взрывчатыми веществами. Дальнейшая ссылка на работу Винтерберга в Германии по ядерным микровзрывам (мининукам) в рассекреченном отчете бывшего восточногерманского Stasi (Staatsicherheitsdienst).

В 1964 году Винтерберг предположил, что воспламенилось за счет интенсивного пучка микрочастиц, ускоренных до скорости 1000 км / с. А в 1968 году он использует использование для той же интенсивные электронные и ионные пучки, генерируемые генераторами Маркса. Преимущество этого предложения заключается в том, что генерация пучков заряженных частиц не только дешевле, чем генерация лазерных лучей, но также может улавливать заряженные продукты синтеза из-за сильного собственного магнитного поля луча, что снижает требования к сжатию луча зажигались цилиндрические мишени.

В СССР

В 1967 году научный сотрудник Гурген Аскарян опубликовал статью с предложением использовать сфокусированный лазерный луч в синтезе дейтерида лития или дейтерия.

Ранние исследования

В конце 1950-х годов Наколлс и его сотрудники из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) провели ряд компьютерных симуляций концепции ICF. В начале 1960 года это произвело полное моделирование взрыва 1 мг топлива D-T внутри плотной оболочки. Моделирование показало, что входная мощность 5 МДж в hohlraum будет 50 МДж на выходе термоядерного синтеза, коэффициент усиления 10. В то время лазер еще не изобретен, и было рассмотрено множество драйверов, включая импульсные силовые машины., ускорители заряженных частиц, плазменные пушки и сверхостальные пушки.

В течение года были сделаны два ключевых теоретических открытия. Новое моделирование рассматривало синхронизацию энергии, передаваемое в импульссе, известную как «импульсса», что привело к лучшему сжатию. Кроме того, оболочка сделана намного больше и тонкую, образуя тонкую оболочку, а не почти твердый шар. Эти два изменения повысили эффективность имплозии и тем самым значительно снизили энергию, улучшили для ее сжатия. Используя эти улучшения, было подсчитано, что потребуется драйвер мощностью около 1 МДж, то есть пятикратное улучшение. В течение следующих двух лет было предложено несколько других теоретических достижений, в частности, разработка Рэя Киддера системы имплозии без хольраума, так называемый подход «прямого привода» и Stirling Colgate и работа Рона Забавски над очень маленькими системами с использованием всего лишь 1 мкг DT-топлива.

Появление лазера в 1960 г. в Исследовательских лабораториях Хьюза в Калифорнии, казалось, представило идеальный драйвер механизм. Начиная с 1962 года, директор Ливермора Джон С. Фостер-младший и Эдвард Теллер начали небольшое исследование лазера, направленное на подход ICF. Даже на этом раннем этапе пригодности системы ICF для исследования оружия хорошо понята, и это была основная причина ее способности получать финансирование. В течение следующего десятилетия LLNL изготовила несколько небольших экспериментальных устройств для фундаментальных исследований нового лазера и плазмы.

Начало разработки

В 1967 Кип Сигел основал KMS Industries, используя выручку от продажи доли в более ранней компании Conductron, пионере голографии.. В начале 1970-х он основал KMS Fusion, чтобы начать настройку лазерной системы ICF. Это событие вызвало значительную оппозицию со стороны оружейных лабораторий, в том числе LLNL, которые выдвинули ряд причин, по которому KMS позволяет разрабатывать ICF публично. Этапозиция проходила через Комиссию по атомной энергии, которая требовала финансирования своих собственных усилий. К фоновому шуму добавились слухи об агрессивной советской программе ICF, новые более мощные CO 2 и стеклянные лазеры, концепции электронного луча и энергетический кризис 1970-х, придал импульс. ко многим энергетическим проектам.

В 1972 году Наколлс написал влиятельную публикацию в Nature, в которой представил ICF и предположил, что тестовые системы могут быть созданы для создания слияния с драйверами в диапазоне кДж и систем с высоким коэффициентом усиления с драйверами MJ.

Несмотря на ограниченные ресурсы и многочисленные бизнес-проблемы, KMS Fusion успешно осуществила слияние с процессом ICF 1 мая 1974 года. Однако за этим успехом вскоре последовала смерть Сигеля и конец слияния KMS через год спустя, управляя компанией по полису страхования жизни Сигеля. К этому моменту несколько оружейных лабораторий начали свои собственные программы, в частности, твердотельные лазеры (Nd: стеклянные лазеры ) в LLNL и Университете Рочестера и фторид криптона эксимерные лазеры системы в Лос-Аламос и Военно-морская исследовательская лаборатория.

Хотя успех KMS привел к серьезным усилиям по разработке, последующие успехи были и остаются затрудненными из-за, казалось бы, неразрешимых проблем, характерных для исследований термоядерного синтеза в целом.

ICF с высокой энергией

Эксперименты с ICF с высокой энергией (несколько сотен джоулей за выстрел и более высокие эксперименты) всерьез начались в начале 1970-х годов, когда были созданы лазеры необходимой энергии и мощности. впервые разработан. Это произошло через некоторое время после успешной разработки термоядерных систем с магнитным удержанием и примерно во время успешной конструкции токамака, представленной в начале 70-х годов. Тем не менее, высокое обеспечение исследований в области термоядерного синтеза, стимулированное множеством энергетических кризисов в середине и конце 1970-х годов, привело к быстрому росту производительности, и вскоре инерционные конструкции достигли того же типа «ниже безубыточности» условий лучшие магнитные системы.

LLNL, в частности, очень хорошо финансировалась и начала крупную программу развития лазерного термоядерного синтеза. Их лазер Янус начал работу в 1974 году и подтвердил подход к использованию лазеров на неодимовом стекле для создания устройств очень высокой мощности. Проблемы фокусировки были исследованы в лазерах Long path Laser и Cyclops Laser, что привело к созданию более крупного Argus laser. Ни одно из этих устройств не предназначалось для использования в качестве практических устройств ICF, но каждое из них продвигало уровень техники до такой степени, что существовала некоторая уверенность в правильности базового подхода. В то время считалось, что создание гораздо большего устройства типа «Циклоп» может как сжимать, так и нагревать мишени ICF, что приводит к возгоранию в «краткосрочной перспективе». Это было заблуждение, основанное на экстраполяции выходов термоядерного синтеза, полученные в результате экспериментов с использованием так называемых «взрывающихся толкателей» топливных капсул. В течение периода, охватывающего конец 70-х и начало 80-х годов, оценки лазерной энергии на мишени, почти ежегодно удваивались по мере, как постепенно различные нестабильности плазмы и моды потерь энергии связи между лазером и плазмой. Увеличение энергии лазера до уровня 100 кДж в УФ-диапазоне и к производству усовершенствованного аблятора, что простая конструкция взрывающейся толкающей мишени и интенсивность лазерного излучения всего в несколько килоджоулей (кДж) никогда не будут масштабироваться до высоких выходов термоядерного планирования. конструкции криогенных ледяных мишеней DT.

Шива и Нова

Одной из самых ранних серьезных и крупномасштабных попыток разработки драйвера ICF был лазер Shiva, 20-лучевой Лазерная система на стекле, легированном неодимом, построенная в LLNL, которая начала работу в 1978 году. Шива была «доказательством» концепции предназначенной для демонстрации сжатия капсул термоядерного топлива до плотности жидкости, во много раз превышающей плотность водорода. В этом Шиве удалось сжать свои гранулы до плотности жидкости, в 100 раз превышающей плотность дейтерия. Из-за сильной связи лазера с горячими электронами преждевременный нагрев плотной плазмы (первый) был проблематичным, а выходы термоядерного синтеза были низкими. Эта неспособность воздействовать на плазму указала на использование оптических умножителей частоты в качестве решения, которое может использовать частоту инфракрасного излучения лазера в ультрафиолет на 351 нм. Недавно обнаруженные схемы эффективной частоты тройного лазерного излучения высокой интенсивности, обнаруженные в Лаборатории лазерной энергетики в 1980 году, позволили экспериментировать с этим методом облучения мишени в 24-лучевом лазере OMEGA и лазере NOVETTE, за Последовала конструкция Nova Laser с энергией в 10 превышающую энергию Шивы, первая конструкция с целью достижения условий зажигания.

Nova также не смогла достичь своей цели по достижению зажигания, на этом раз из-за сильного изменения интенсивности лазерного излучения в его лучах (и различий в интенсивности между лучами), вызванной филаментацией, которая привела к большой неоднородности плавности облучения при мишень и асимметричный взрыв. Использованные ранее методы не могли решить эти новые проблемы. Но снова эта неудача привела к гораздо большему пониманию процесса имплозии, и путь вперед снова казался ясным, а именно: увеличение однородности облучения, уменьшение горячих точек в лазерных лучах с помощью методов сглаживания луча для уменьшения Рэлея - Нестабильность Тейлора, запечатлевающая отпечаток на мишени, и увеличение лазерной энергии на мишени по крайней мере на порядок. Финансирование термоядерного синтеза было сильно ограничено в 80-х годах, но, тем не менее, Nova успешно собрала достаточно информации для машины следующего поколения.

Национальное устройство зажигания

Национальное устройство зажигания целевая камера

Получившаяся в результате конструкции, теперь известная как Национальное устройство зажигания, было начата строительством в LLNL в 1997 году. Основной целью NIF будет действовать как флагманское экспериментальное устройство так называемой программы управления ядерным оружием, поддерживая традиционную роль LLNL в создании бомб. Завершенный в марте 2009 года, NIF уже провел эксперименты с использованием всех 192 лучей, включая инструменты, которые установили новые рекорды по мощности лазера. Первые надежные попытки воспламенения были запланированы на 2010 г., но к 30 сентября 2012 г. воспламенение не было достигнуто. По состоянию на 7 октября 2013 г. Прежде всего, первая топливная капсула испустила больше энергии, чем было приложено к ней, что установка достигла вехи на пути к коммерциализации термоядерного синтеза. До соответствия критерию Лоусона еще далеко, но это большой шаг вперед. В июне 2018 года NIF объявил о достижении рекордного уровня выработки энергии термоядерного синтеза в 54 кДж.

Быстрое зажигание

Более поздней разработкой является концепция «,», которая может предложить способ непосредственно нагревают топливо высокой плотности после сжатия, тем самым разделяя фазы нагрева и сжатия имплозии. В этом подходе цель сначала сжимается «нормально» с помощью лазерной системы драйвера, а затем, когда имплозия достигает максимальной плотности (в точке застоя или «времени взрыва»), второй ультракороткий импульс сверхвысокой мощности Петаваттный лазер (PW) подает одиночный импульс, сфокусированный на одной стороне сердечника, резко нагревая его и, надеюсь, запуская термоядерное зажигание. Двумя типами быстрого зажигания являются метод «сквозного плазменного зажигания» и метод «конус в оболочке». В первом методе петаваттный лазер просто должен проходить сквозь внешнюю плазму взрывающейся капсулы и воздействовать на плотную сердцевину и нагревать ее, тогда как в методе конуса в оболочке капсула устанавливается на конце маленький конус с высоким z (высокий атомный номер ), так что кончик конуса выступает в ядро ​​капсулы. В этом втором методе, когда капсула взорвана, петаватт имеет четкий вид прямо на ядро ​​с высокой плотностью и не должен тратить энергию на бурение через плазму «короны»; однако присутствие конуса влияет на процесс имплозии значительным образом, что до конца не изучено. В настоящее время осуществляется несколько проектов по исследованию подхода к быстрому зажиганию, включая модернизацию лазера OMEGA в Университете Рочестера, устройства GEKKO XII в Японии и совершенно нового устройства стоимостью 500 миллионов фунтов стерлингов. объект, известный как HiPER, предлагается для строительства в Европейском Союзе. В случае успеха подход с быстрым зажиганием может значительно снизить общее количество энергии, необходимое для доставки к цели; в то время как NIF использует УФ-лучи мощностью 2 МДж, драйвер HiPER составляет 200 кДж, а нагреватель 70 кДж, но тем не менее прогнозируемый выигрыш от термоядерного синтеза даже выше, чем в NIF.

Другие проекты

Французский проект Laser Mégajoule продемонстрировал свою первую экспериментальную линию, которая была достигнута в 2002 году, а первые выстрелы по мишеням были наконец произведены в 2014 году. По состоянию на 2016 год машина была готова примерно на 75%.

Использование совершенно другого подхода - z-зажим2>устройство. Z-пинч использует большое количество электрического тока, который передается в цилиндр, состоящий из очень тонких проводов. Провода испаряются, образуя электропроводящую сильноточную плазму; Возникающее в результате окружного магнитного поля сжимает плазменный цилиндр, взламывая его и тем самым генерируя импульс рентгеновского излучения большой мощности, который можно использовать для взрыва топливной капсулы. Проблемы, связанные с этим подходом, включают относительно низкую температуру двигателя, приводящие к медленным скоростям имплозии и большому росту нестабильности, а также предварительный нагрев, вызванный высокоэнергетическим рентгеновским излучением.

Совсем недавно Винтерберг использовал применение микровзрыва дейтерия, с гигавольтным генератором супер-Маркса, который представляет собой генератор Маркса, приводящий в действие до 100 обычных генераторов Маркса.

В качестве источника энергии

Практические электростанции, построенные с использованием ICF, изучались с конца 1970-х, когда эксперименты ICF начали набирать обороты; они известны как установка с инерционной термоядерной энергией или IFE . Эти устройства будут поставлять последовательный поток в реакционную камеру, обычно несколько секунд, и улавливать получающееся тепловое и нейтронное излучение от их имплозии и синтеза, чтобы приводить в действие обычную паровую турбину.

Технические проблемы

IFE по-прежнему сталкивается с техническими проблемами при достижении условий, необходимых для зажигания. Но даже если бы все это было решено, значительное количество практических проблем, которые кажутся столь же трудными для решения. Первоначально считалось, что лазерные системы могут генерировать коммерчески полезное количество энергии. Однако, поскольку потребности в энергии, необходимые для воспламенения, резко выросли в 1970-х и 80-х годах. Учитывая низкую эффективность лазерного усиления технологического процесса (примерно от 1 до 1,5%) и потери при генерации (паротурбинные системы обычно имеют КПД примерно 35%), выигрыш от термоядерного синтеза должен быть порядка 350, просто чтобы обеспечить энергетическую безубыточность. Казалось, что такого рода достижения невозможно, и работа ICF была сосредоточена в первую очередь на исследованиях оружия.

С недавним введением быстрого воспламенения и подобных подходов все резко изменилось. При таком подходе прогнозируется усиление 100 в первом экспериментальном устройстве HiPER. Учитывая коэффициент усиления около 100 и КПД лазера около 1%, HiPER производит примерно такое же количество термоядерной энергии, какое потребовалось для его создания электрической энергии. Также представляется, что повышение эффективности лазера на порядок может быть использовано для использования более новых конструкций, в которых лампы-вспышки заменены на лазерные диоды, настроенные для выработки большей части энергии в диапазоне частот сильно всасывается. Первоначальные экспериментальные устройства включают КПД около 10%, что 20% - это реальная возможность при некоторых дополнительных разработках.

В «классических» устройствах, таких как NIF, около 330 МДж электроэнергии используется для создания управляющих лучей, что дает ожидаемую мощность около 20 МДж с максимальной вероятной мощностью 45 МДж. Использование таких же чисел в реакторе, улучшенное быстрое зажигание с новыми лазерами, улучшенное значительно улучшенные характеристики. HiPER требует около 270 кДж энергии лазера, поэтому предположить, что драйвер диодного лазера первого поколения на 10%, реактор потребует около 3 МДж электроэнергии. Ожидается, что это произведет около 30 МДж термоядерной энергии. Даже очень плохое преобразование в электрическую энергию, по-видимому, обеспечивает реальную выходную мощность, эффективное улучшение выхода и эффективность лазера, по-видимому, может обеспечить коммерчески полезный выход.

Практические проблемы

Системы ICF сталкиваются с некоторыми из тех же вторичных извлечений энергии, что и магнитные системы, при выработке полезной энергии за счет их параметров. Одна из основных задач заключается в том, как успешно отвести тепло из реакционной камеры, не мешая мишеням и ведущим лучам. Еще одна серьезная проблема заключается в том, что вызывает огромное количество нейтронов, высвобождаемых в реакциях растяжения, заставляя их становиться сильно радиоактивными, а также механически ослабляя металлы. Установки для плавления, построенные из обычных металлов, таких как сталь, будут иметь довольно короткий срок службы, и защитные сосуды активной зоны придется часто заменять.

Одна из современных концепций решения этих проблем, как показано в базовом проекте HYLIFE-II, заключается в использовании «водопада» FLiBe, расплавленная смесь фторидных солей лития и бериллия, которые защищают камеру от нейтронов и отводят тепло. Затем FLiBe проходит в теплообменник, где нагревает воду для использования в турбинах. Тритий, образующийся при делении ядер лития, также может быть извлечен, чтобы замкнуть термоядерный топливный цикл электростанции, что необходимо для непрерывной эксплуатации, поскольку тритий не существует в естественных количествах и должен производиться. Другая концепция, Сомбреро, использует реакционную камеру, построенную из полимера, армированного углеродным волокном, который имеет очень низкое нейтронное сечение . Охлаждение обеспечивается расплавленной керамикой, выбранной из-за ее способности препятствовать дальнейшему распространению нейтронов.

Имплозия термоядерного синтеза с инерционным удержанием в Новой, создавая "микросолнце" условия высокой плотности и температуры, конкурирующие даже с теми же, которые находятся в ядре нашего Солнца.

Экономическая жизнеспособность

Даже если эти технические достижения решают проблемы в отношении IFE, других факторов, работающих против IFE, является стоимостью топлива. Даже когда Наколлс занимался разработкой своих первых подробных расчетов по этой идее, его коллеги указали на это: если установка IFE вырабатывает 50 МДж термоядерной энергии, можно было бы ожидать, что может произвести около 10 МДж энергии на экспорт. В пересчете на более известную величину это эквивалентно 2,8 кВт · ч электроэнергии. Оптовые тарифы на электроэнергию в сети в то время составляли около 0,3 цента / кВт · ч, что означало, что денежная стоимость выстрела составляла, возможно, один цент. За прошедшие 50 лет цена на электроэнергию оставалась примерно сравнимой с темпами инфляции, а в 2012 году в Онтарио, Канада она составляла около 2,8 цента / кВтч

Таким образом, по порядку Для того, чтобы установка IFE была экономически жизнеспособной, заправка топливом должна значительно меньше десяти центов в долларах 2012 года. В то время, когда это возражение было впервые высказано, Наколлс использует капли жидкости, распыляемые в хольраум из устройства, похожего на глазную капельницу. Как постоянно растущие требования к более высокой однородности мишеней, этот подход кажется непрактичным, поскольку даже внутренний аблятор и само топливо в настоящее время стоят на несколько порядков больше, чем это. Более того, решение Наколлс заключено в том, что топливо сбрасывалось в фиксированный хольраум, которое можно было повторно использовать в непрерывном цикле, но при нынешних уровнях энергии хольраум разрушается с каждым выстрелом.

В системах с прямым приводом не используется хольраум, и поэтому они могут быть менее дорогими с точки зрения зрения топлива. Однако для этих систем по-прежнему требуется аблятор, точность и геометрические характеристики еще более важны. Они также гораздо менее развиты, чем системы с непрямым приводом, и сталкиваются со значительно более серьезными техническими проблемами с точки зрения физики имплозии. В настоящее время нет единого мнения о том, действительно ли система с прямым приводом будет дешевле в эксплуатации.

Прогнозируемая разработка

Различные фазы такого проекта следующих последовательностей, последовательность термоядерного синтеза с инерционным удержанием следует примерно одинаково:

Горящая демонстрация
Воспроизводимая достижение некоторого выделения энергии термоядерного синтеза ( не обязательно с коэффициентом добротности>1).
Демонстрация высокого коэффициента усиления
Экспериментальная демонстрация возможности создания реактора с достаточным выигрышем в энергии.
Промышленная демонстрация
Проверка различных вариантов и всех данных, необходимых для коммерческого реактора.
Коммерческая демонстрация
Демонстрация работоспособности реактора в течение длительного периода времени, при соблюдении всех требований по безопасности, ответственности и стоимости.

На данный момент, согласно имеющимся данным, эксперименты по термоядерному синтезу с инерционным удержанием не вышли за рамки первой фазы, хотя Nova и другими неоднократно демонстрировали работу в этой сфере. В краткосрочной перспективе ожидается, что ряд новых систем выйдет на второй этап.

Для промышленной демонстрации требуется дополнительная работа. В частности, лазерные системы должны иметь возможность работать на высоких рабочих частотах, от одного десяти раз в секунду. Большинство лазерных систем, упомянутых в этой статье, не работают даже один раз в день. Часть бюджета HiPER также посвящена исследованиям в этом направлении. Они намного эффективнее преобразуют электричество в лазерный свет, диодные лазеры также имеют меньшую температуру, что, в свою очередь, позволяет им работать на гораздо более высоких частотах. HiPER в настоящее время изучает устройства, которые работают при 1 МДж при 1 Гц или 100 кДж при 10 Гц.

Продолжались исследования и разработки в области инерционной термоядерной энергии в Европейском Союзе и в Японии. Установка High Power Laser Energy Research (HiPER) - это предлагаемое экспериментальное термоядерное устройство, которое находится в стадии предварительного проектирования для возможного строительства в Европейском Союзе для продолжения разработки подхода к инерционному удержанию, управляемому лазером. HiPER - это первый эксперимент, специально для изучения метода быстрого зажигания для создания ядерного синтеза. Использование гораздо более расширенной по размеру лазеров, но при этом выходная мощность термоядерного синтеза такая же большая мощность при сокращении затрат на строительство примерно в десять раз. Теоретические исследования с момента разработки HiPER в начале 2000-х годов поставили под сомнение быстрое зажигание, но для решения некоторых из этих проблем был предложен новый подход, известный как ударное зажигание. Япония разработала конструкцию термоядерного реактора KOYO-F и экспериментальный реактор лазерного инерционного термоядерного синтеза (LIFT). В апреле 2017 года Bloomberg News сообщил, что Майк Кэссиди, бывший вице-президент Google и директор Project Loon с Google [x], запустила стартап в области экологически чистой энергии Apollo Fusion для разработки технологии гибридного термоядерного реактора деления.

Программа ядерного оружия

Очень горячие и плотные условия, разрабатывающие во время эксперимента по синтезу с инерционным удержанием, аналогичны к тем, которые созданы в термоядерном оружии, и имеют приложения к программе ядерного оружия. Эксперименты ICF Program Program, например, для определения того, что плохого, как характеристики боеголовки будут с возрастом, или как часть программы разработки нового оружия. Сохранение и корпоративного опыта в программе создания знаний ядерного оружия - еще одна мотивация для реализации ICF. Финансирование НИФ в пределах Штатах поступает из программы «Управление запасами ядерного оружия», и цели программы ориентированы соответствующим образом. Утверждено, что некоторые аспекты исследований ICF могут нарушать Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний или Договор о нераспространении ядерного оружия. чистого термоядерного оружия ".

источник нейтронов

термоядерный синтез с инерционным удержанием, который может использовать порядки величин нейтронов больше, чем Рассеяние нейтронов. Нейтроны способны обнаружить атомы водорода в молекулах, разрешить атомное тепловое движение и изучить коллективные возбуждения фотонов более эффективно, чем рентгеновские лучи.>сворачиванием белка, диффузией через мембраны, механизм переноса протона, динамикой молекулярных двигателей и т. д. путем модуляции тепловые нейтроны в пучки медленных нейтронов. В сочетании с делящимися материалами нейтроны, произведенные ICF, мы можем быть использованы в конструкции гибридного ядерного ядерного оружия для произ водства электроэнергии.

См. также

Ссылки

Библиография

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-24 14:29:44
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте