Поскольку это приближается к своему пятому дню рождения, Национальное средство воспламенения (NIF), обеспокоенное лазерное сооружение сплава в Калифорнии, наконец привело к некоторым результатам, по поводу которых ученые сплава могут стать восторженными. В ряде экспериментов в конце прошлого года исследователям NIF удалось произвести энергетические урожаи, в 10 раз больше, чем произведенный прежде и продемонстрировать явление самонагревания, которое будет крайне важно, если сплав должен достигнуть своей конечной цели «воспламенения» — самоподдерживающаяся горящая реакция, производящая больше энергии, чем это потребляет.
“Это – очень значительное достижение, и это – очень хорошее место для старта для движения к более высокому урожаю”, говорит Стивен Роуз из Центра Инерционных Исследований Сплава в Имперском колледже Лондона.NIF, расположенный в Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии, стремится воспроизводить источник энергии солнца и водородных бомб путем плавления вместе ядер от двух изотопов водорода: дейтерий и тритий.
Это делает это путем нагревания их к огромным температурам и давлениям с самым высоким энергетическим лазером в мире, так, чтобы ядра разбились вместе с достаточной силой для преодоления их естественного взаимного отвращения.После его завершения в 2009, исследователи NIF предприняли 3-летнюю кампанию для достижения воспламенения как можно быстрее. Но когда тот период закончился, они были все еще очень длинным путем от своей цели. Американский Конгресс предоставил лаборатории еще 3 года, чтобы выполнить более исследовательский ряд экспериментов и идентифицировать проблемы.
Новыми результатами, изданными сегодня по своей природе и на прошлой неделе в Physical Review Letters, является первый знак, что этот подход работает. “Это – хороший результат”, говорит Роберт Маккрори, директор Лаборатории для Лазерной Энергетики в Университете Рочестера в Нью-Йорке, другой лазерной лаборатории сплава, быстро добавляя, что NIF все еще далек от воспламенения. “Люди, рассчитывающие на успех скоро, будут разочарованы”, говорит он.Для достижения чрезвычайных условий, необходимых для сплава, некоторые средства, такие как реактор ПРОХОДА во Франции, используют сильные магнитные поля, чтобы ограничить топливо и нагреть его с пучками частиц. NIF следует за другим подходом: уничтожение крошечного образца топлива с лазерным пульсом для создания маленького взрыва сплава.
Если все будет работать правильно, то взрыв будет иметь более высокую энергию, чем лазерный пульс, предлагая выгоду чистой энергии. Лазер NIF, размер футбольного стадиона, производит 192 ультрафиолетовых луча, которые могут поставить 1,9 мегаджоуля — примерно кинетическую энергию 2-тонного грузовика, путешествующего в 160 километрах в час — в пульсе, длящемся только наносекунды.Ультрафиолетовые лучи преобразовываются в рентгеновские лучи, тогда падающие на топливную капсулу, полая пластмассовая сфера, меньшая, чем горошина перца, содержащая 0,17 миллиграмма замороженного дейтерия и трития. Интенсивный пульс рентгеновских лучей, поражающий капсулу, заставляет часть пластмассы сдувать; это ведет остающееся пластмассовое и замороженное топливо в к центру на высокой скорости.
Если все идет согласно плану, результатом является крошечный шар топлива сплава в 50 миллионах kelvin, 100 раз плотность лидерства — достаточно горячий и достаточно плотный для зажигания реакций сплава.Первоначальные планы NIF достигнуть воспламенения положились в большой степени на моделирования на основе более ранней работы в Ливерморе и других лабораторий.
Как только ученые NIF начали делать свои выстрелы, целый процесс, казалось, работал, и моделирования предсказали, что NIF должен получать много сплава. Но инструменты рассказали другую историю: энергетические урожаи были очень низкими. В 2012 Конгресс заказал расследование, в конечном счете подвергнувшее критике исследователей NIF за неспособность объяснить расхождение между моделированием и экспериментом. В 2013 исследователи NIF начали исследовать проблемы более с научной точки зрения; было также изменение лидерства в лаборатории, и новые исследователи присоединились к бригаде.
Они идентифицировали две ключевых проблемы. Сжатие топливного шарика было часто не симметрично и произвело каплю формы пончика топлива; и во время имплозии, пластмассовая капсула разбивалась и смешивалась с топливом, делая его тяжелее для зажигания сплава в конце.
Для занятия проблемой формы новая бригада начала играть вокруг с относительными энергиями этих 192 лазерных лучей продвинуться немного больше в некоторых местах и немного меньше в других, в надежде на получение более симметрической имплозии.Для предотвращения распада капсулы исследователи приспособили выбор времени лазерного пульса.
Более ранние выстрелы управляли им в низкой энергии в течение большинства ее 20 наносекунд, чтобы получить имплозию, перемещающуюся, не подогревая топлива и затем закончиться со взрывом большой мощности для заключительной искры. Идея позади этой “низкой ноги” подход состояла в том, что холодное топливо сожмет к более высокой плотности в конце. Оборотная сторона была то, что более медленная скорость позволила краткому времени разбиваться.
В выстрелах низкой ноги, “существует слишком много вредных вещей, продолжающихся сразу, Вы не видите то, что продолжается”, говорит Стивен Обеншаин, глава лазерного плазменного отделения плазменного отделения физики в Военно-морской Научно-исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ КолумбияНовая бригада NIF решила попробовать пульс, начавшийся с немного более высокой энергией, чтобы заставить топливо интегрироваться быстрее, и заканчивать пульс раньше, после всего 15 наносекунд. Несмотря на то, что такая “высокая нога” пульс не позволила бы им получать столь же высокую плотность в конце, исследователи надеялись, что это поможет управлять смешиванием.
Выстрел, выполненный 13 августа в прошлом году, доказал их правильный с огромным скачком в энергетическом урожае. Еще два выстрела, 27 сентября и 19 ноября, сделали еще лучше, произведя больше энергии (14.4 и 17,3 килоджоулей), чем было депонировано в топливе сплава во время имплозии (11 и 9 килоджоулей) — в первый раз, который когда-либо достигался в лазерном эксперименте сплава. “Мы предприняли шаги назад от того, что попробовали, прежде и это дало нам прыжок вперед”, сказал руководитель группы NIF Омар Уррикане пресс-конференцию на этой неделе.
Значительно, бригада также видела самонагревающееся явление, которое будет жизненно важно для увеличенного урожая сплава. Реакции сплава производят альфа-частицы (ядра гелия), а также нейтроны, и когда реакции начинаются в ядре топлива, альфы, которым помогают путем нагревания окружающего более холодного топлива до температуры реакции. Бригада NIF думает, что в их лучших выстрелах, это нагревание альфы удвоило их урожай сплава. “Альфы действительно нагревают газ”, говорит Роуз.
Наблюдатели также отмечают, что в прошлогодних выстрелах, было более близкое соглашение между моделированиями и результатами эксперимента. “При выполнении этих меньше требовательных имплозий результаты теперь соглашаются с кодексами, и это очень воодушевляет”, говорит Майкл Кэмпбелл, бывший директор NIF теперь в Сандиа Национальные Лаборатории. “Они могут доверять моделированиям теперь способу, которым они не могли прежде”, говорит Роуз.Однако недавние выстрелы все еще далеки от того, что большинство исследователей сплава рассматривает, чтобы быть реальной «выгодой»: больше энергии сплава, чем лазерная энергия в. Несмотря на то, что выстрелы произвели больше урожая, чем энергия в топливо, большая часть энергии лазерного пульса потеряна, когда это преобразовано от UV до рентгеновских лучей и сосредоточено на топливной капсуле. Прошлогодний лучший выстрел произвел меньше чем 1% энергии лазерного пульса.
Мнения разделены о том, что бригада NIF должна сделать теперь. Маккрори не полагает, что текущий подход в конечном счете приведет к успешному воспламенению, таким образом, больше инноваций будет необходимо. “Они продвигаются о том, насколько они могут пойти”, говорит он. Роуз соглашается: “Я не уверен, что у них есть маршрут к реальной выгоде”.
Проблема состоит в том, что исследователи набрали назад заключительное давление для управления смешиванием во время имплозии; теперь они должны увеличить давление снова для создания топлива достаточно плотным для высокой доходности, не впуская смешивание сползания назад. “Да, Мы самоограничили нас для получения этого контроля”, Ураган, сказанный на пресс-конференции. “Это – пункт отправления. Теперь мы должны вычеркнуть в различных направлениях”.
Несмотря на неуверенность, исследователи поощряются возобновленным прогрессом в NIF. “Это правильные эксперименты, чтобы сделать”, говорит Кэмпбелл. “Кто знает, как далеко они могут взять это?”*Исправление, 12 февраля, 17:06: Этот пункт был исправлен, чтобы разъяснить, что Стивен Обеншаин является главой лазерного плазменного отделения плазменного отделения физики в Военно-морской Научно-исследовательской лаборатории.