NIF

NIF (от англ. National Ignition Facility — Национальный комплекс зажигания) — крупнейшая в мире лазерная установка для исследований в области инерциального термоядерного синтеза (ИТС), расположенная в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в Калифорнии, США. Основная цель NIF — достижение зажигания термоядерной реакции (то есть состояния, при котором выделяемая энергия превышает затраченную) и изучение физики высоких плотностей энергии. Установка введена в эксплуатацию в 2009 году, а в декабре 2022 года впервые в истории продемонстрировала научное зажигание — получение чистого прироста энергии в термоядерной реакции.

История

Предпосылки и проектирование

Идея создания NIF возникла в рамках программы США по управляемому термоядерному синтезу. В 1990-х годах Ливерморская лаборатория предложила построить лазерную установку, способную генерировать энергию, достаточную для зажигания термоядерной мишени. Проект был одобрен Конгрессом США в 1997 году, строительство началось в 1997 году на территории LLNL. Первоначальная стоимость оценивалась в 1,2 миллиарда долларов, однако к моменту завершения строительства в 2009 году она превысила 3,5 миллиарда долларов.

Ввод в эксплуатацию и первые эксперименты

NIF был официально открыт 29 мая 2009 года. Первые эксперименты были направлены на калибровку лазерной системы и отработку методик сжатия мишеней. В 2010 году начались первые эксперименты по инерциальному синтезу, однако они не достигли зажигания — выделяемая энергия составляла лишь малую долю от затраченной. В 2013 году NIF достиг рекордного на тот момент выхода энергии — 14 кДж, что примерно в 10 раз превышало предыдущие результаты, но всё ещё было далеко от порога зажигания (около 1,8 МДж).

Прорыв 2022 года

5 декабря 2022 года в ходе эксперимента на NIF впервые было получено зажигание: лазерные лучи доставили 2,05 МДж энергии на мишень, что вызвало термоядерную реакцию, выделившую 3,15 МДж — прирост энергии составил около 54 %. Это событие было признано научным прорывом и подтвердило принципиальную возможность инерциального синтеза. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters в феврале 2023 года.

Устройство и принцип работы

Лазерная система

NIF состоит из 192 лазерных лучей, которые усиливаются в системе из стеклянных усилителей, легированных неодимом. Каждый луч генерируется лазерным диодом, затем проходит через ряд усилителей, достигая энергии до 1,8 МДж в импульсе длительностью около 10 наносекунд. Лучи фокусируются на мишени диаметром около 2 мм, расположенной в центре вакуумной камеры диаметром 10 метров.

Мишень и сжатие

Мишень представляет собой полую сферу (хольраум) из золота или урана, внутри которой находится капсула диаметром около 1 мм, содержащая смесь дейтерия и трития (DT). Лазерные лучи нагревают внутреннюю поверхность хольраума до температуры около 3 миллионов градусов Цельсия, генерируя рентгеновское излучение. Это излучение равномерно сжимает капсулу, создавая давление в сотни миллиардов атмосфер и температуру в центре до 100 миллионов градусов Цельсия. При таких условиях начинается термоядерная реакция синтеза гелия из дейтерия и трития с выделением нейтронов и энергии.

Система управления и диагностики

NIF оснащён сложной системой диагностики, включающей камеры, спектрометры и нейтронные детекторы, которые регистрируют параметры реакции в реальном времени. Управление лазерными импульсами осуществляется с помощью компьютеров, синхронизирующих работу всех 192 лучей с точностью до пикосекунд.

Классификация и виды экспериментов

Эксперименты на NIF делятся на несколько категорий:

• Эксперименты по зажиганию — попытки достичь термоядерного зажигания с положительным энергетическим выходом. Успешный эксперимент 2022 года относится к этой категории.
• Физика высоких плотностей энергии — изучение поведения материи при экстремальных давлениях и температурах, моделирование условий в звёздах и ядерных взрывах.
• Исследования в области материаловедения — воздействие лазерных импульсов на образцы для изучения свойств материалов при высоких нагрузках.
• Астрофизические эксперименты — моделирование процессов, происходящих в недрах звёзд и планет, например, конвекции или ударных волн.

Применение и значение

Энергетика

Основная долгосрочная цель NIF — создание технологии для коммерческого термоядерного реактора на основе инерциального синтеза. В отличие от магнитного удержания (например, токамаков), ИТС предполагает импульсный режим работы: лазерные импульсы должны повторяться с частотой несколько раз в секунду, а выделяемая энергия преобразовываться в электричество. Однако до практической реализации ещё далеко: NIF работает в режиме единичных импульсов, а КПД лазерной системы составляет около 1 % (энергия накачки значительно превышает энергию лазерного импульса).

Оборонные исследования

NIF используется для поддержки программы ядерного сдерживания США. Эксперименты позволяют моделировать условия, возникающие при ядерном взрыве, без проведения реальных испытаний. Это даёт возможность изучать физику ядерных боеголовок и проверять их надёжность в рамках программы «Стокпил-менеджмент» (Stockpile Stewardship Program). В связи с этим NIF находится под управлением Национального управления по ядерной безопасности (NNSA) США.

Фундаментальная наука

На NIF проводятся эксперименты, невозможные на других установках: изучение свойств плазмы при сверхвысоких плотностях, проверка теорий звёздной эволюции, исследование синтеза тяжёлых элементов в сверхновых. Например, в 2021 году на NIF впервые удалось воспроизвести условия, характерные для ядер звёзд, и измерить скорость реакции синтеза.

Критика и ограничения

Несмотря на успех 2022 года, NIF критикуется за высокую стоимость и неэффективность. Критики отмечают, что энергия, затраченная на накачку лазерных диодов и работу систем охлаждения, значительно превышает энергию, выделенную в реакции (в эксперименте 2022 года затраты на накачку составили около 300 МДж, что в 100 раз больше выхода). Кроме того, NIF не предназначен для коммерческого производства энергии — его конструкция оптимизирована для научных и оборонных задач, а не для экономической эффективности. Также существуют сомнения в возможности масштабирования технологии до уровня реактора из-за сложности синхронизации лазерных лучей и изготовления мишеней.

Интересные факты

• Лазерная система NIF занимает здание размером с три футбольных поля (около 200 метров в длину).
• Для изготовления мишеней используется техника, заимствованная из микроэлектроники: капсулы с DT-смесью создаются с точностью до нанометров.
• В 2014 году на NIF был установлен рекорд по самой высокой температуре, когда-либо достигнутой в лабораторных условиях — около 3 миллиардов градусов Цельсия (в плазме).
• Установка потребляет около 400 МВт электроэнергии во время импульса, что сравнимо с потреблением небольшого города.

Источники

• National Ignition Facility & Photon Science. About NIF. Lawrence Livermore National Laboratory, 2023.
• Hurricane, O. A. et al. Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion. Nature, 2022, vol. 601, pp. 542–548.
• Zylstra, A. B. et al. Burning plasma achieved in inertial fusion. Nature, 2022, vol. 601, pp. 542–548.
• Clery, D. NIF’s fusion breakthrough: What it means for energy and weapons. Science, 2022, vol. 378, no. 6624, pp. 1140–1142.
• National Nuclear Security Administration. Stockpile Stewardship Program. NNSA, 2023.