لماذا لا يشعل NIF؟

هذا هو hohlraum

يوفر مجمع مرفق الإشعال الوطني الفريد من نوعه - "المعدات الحارقة الوطنية" في مختبر لورانس ليفرمور (الولايات المتحدة الأمريكية) تجارب الاندماج النووي الحراري بالقصور الذاتي. هذا هو أقوى نظام ليزر في العالم ومجمع مختبر فريد من نوعه. كل ما يتعلق بالمعدات والحلول التقنية يستحق أعلى التصنيفات ومكلفة للغاية.

يسمى المكان الذي يجب أن يحدث فيه الانفجار النووي الحراري بالألمانية hohlraum. غرفة ذهبية ، والتي يجب أن توفر تسخينًا موحدًا للقرص النووي الحراري بالطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة من الجدران. شيء مشابه يحمل نفس الاسم وله نفس قنبلة "الهيدروجين". أكبر فقط ، ومصدر الفوتونات هو أشعة سينية من الانفجار النووي الأساسي ، تخترق hohlraum من خلال قناة إشعاعية (بين المراحل).

من خلال مدخلين ، يضيء داخل الغرفة الذهبية 192 شعاع ليزر فوق بنفسجي بطاقة إجمالية تصل إلى 500 تيراواط. في غضون 3 - 5 نانو ثانية ، يتم استقبال 2 - 4 ميجا جول من الطاقة هناك ، والتي يجب أن يتم إعادة تشكيلها بواسطة الجدران في نطاق الأشعة السينية. يحتوي القرص النووي الحراري على 15 ميكروغرامًا من الديوتريوم والتريتيوم عند درجة حرارة 18 كلفنًا ، بالإضافة إلى الغاز المحقون في التجويف الداخلي. الكبسولة لها غلاف كروي بقطر 2 مم. يمكن أن يتم طلاءه الاستئصالي من البريليوم أو له هيكل مركب يعتمد على البولي إيثيلين. يمتص ما يصل إلى 100 كيلو جول من الطاقة ، مما يؤدي إلى انفجار إشعاعي للكبسولة. تصل كثافة المادة إلى 1000 جم / سم مكعب ، وترتفع درجة حرارة حشو الديوتريوم-التريتيوم إلى مئات الملايين من الدرجات. بعد ذلك ، لم يبق لها شيء واحد. تنفجر مثل قنبلة نووية حرارية أو تضيء مثل نجم - كما تريد.

يمكن أن يصل عائد الانفجار الدقيق المحسوب إلى 20 ميجا جول ، وهو ما يعادل 5 كجم من مادة TNT. رسمياً ، سيكون هناك اندماج نووي فعال ، خاضع للرقابة ، نووي حراري. في الواقع ، مع مراعاة كفاءة نظام الليزر لا يزيد عن 1 ٪ ، فإن هذه التكنولوجيا لن تؤدي إلى مصدر عملي للطاقة. مطلوب 420 ميجا جول فقط لشحن المكثفات التي تزود مضخمات الليزر. لكن الهدف من NIF ليس توليد الطاقة ، ولكن العلوم الأساسية.


ومع ذلك ، فشل رد فعل موفر للطاقة ، وهو "حرق نووي حراري" بعناد. على الرغم من أن رد الفعل هو المكان المناسب. نشرت صحيفة نيويورك تايمز في 6 أكتوبر 2012 مذكرة نقدية تشير إلى أن برنامج NIF لم يحقق أهدافه المعلنة وليس حقيقة أنه سيحققها على الإطلاق . اليوم يمكننا أن نستنتج بالفعل أن أهداف NIF لم تتحقق. لا يحترق الاندماج النووي الحراري بعناد ، بغض النظر عن الحيل التي سيذهب إليها ليفرمورتيز!

يمكن افتراض سبب حدوث ذلك. الضغط المتماثل كرويًا للكبسولة ممكن فقط في حالة التوازن الديناميكي الحراري. في هذه الحالة ، تكون درجة حرارة سطح الكبسولة عند كل نقطة هي نفسها ، مما يوفر استئصالًا متماثلًا. افترض أن الأحداث في hohlraume تحدث كما تخيل المنظرون لمشروع NIF.

بعد ذلك ، بعد وقت قصير من بدء تشعيع الأشعة السينية (نتحدث عن أجزاء من النانو ثانية) ، يسخن سطح الكبسولة الكروية حتى عشرات الملايين من K وتتكون طبقة بلازما سامسونج ، والتي تكون في حالة توازن (شبه) مع الإشعاع. وهذا يعني أن طبقة البلازما القريبة من السطح تنبعث منها نفس الكمية من الطاقة الكهرومغناطيسية التي تستقبلها ، ولكنها أيضًا تشعها في الداخل. هذا الأخير يؤدي إلى تسخين الكبسولة بعمق ، وبالتالي إلى سماكة طبقة البلازما. عندما تبتعد عن السطح الخارجي ، تنخفض درجة حرارته حتى يصبح الإشعاع الداخلي ضئيلاً. في هذه الحالة ، يكون الإشعاع إلى الخارج متساويًا في شدة حادث الإشعاع على الكبسولة ، أي سيأتي التوازن. في الوقت نفسه ، تتوسع طبقة البلازما بسبب الضغط ، وهو الجزء الأكثر أهمية في عملية الاجتثاث للانفجار.

من المهم بشكل أساسي حقيقة أنه أثناء عملية الاجتثاث ، يكون سطح الكبسولة في توازن حراري ديناميكي (شبه) مع الإشعاع. هذا يسمح لنا بتقدير كمية الطاقة التي تدخل الكبسولة باستخدام قانون ستيفان بولتزمان لإشعاع جسم أسود بالكامل:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

أين $$$I$- كثافة الإشعاع (W / sq.m) من السطح أو حادث على السطح يسخن إلى درجة حرارة $$$T$كلفنوف $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$- ثابت ستيفان بولتزمان (في SI).

ويترتب على ذلك أن حادثة الإشعاع على الكبسولة لها طيف بلانك يتوافق مع درجة الحرارة $$$T$سطح الكبسولة. هذا ما يبدو عليه الطيف عندما $$$T = 8 \ cdot 10 ^ 7$K أين $$$N (E)$- جزء من الفوتونات بالطاقة $$$E$في العدد الإجمالي للفوتونات المنبعثة في الثانية (نحن نتحدث عن توزيع الكثافة لعدد الفوتونات حسب الطاقة).


في هذا الطيف ، يتم حساب أعلى كثافة تدفق الفوتون من خلال طاقة أعلى بقليل من 10 كيلوفولت ، والتي تقابل إشعاع الأشعة السينية بطول موجة يبلغ حوالي 1 أنجستروم. هذا هو طيف نموذجي من الإشعاع في منطقة انتشار الإشعاع أثناء انفجار قنبلة نووية (حوالي 0.5 ميكروثانية بعد بدء التفاعل المتسلسل ، على بعد حوالي متر من نقطة الصفر ، لا يوجد حتى الآن وميض عمياء).

ولكن من أين تأتي الفوتونات من طيف بلانك الساخن هذا ، وتسقي الكبسولة من الخارج؟ في أشعة الليزر ، لا توجد مثل هذه الفوتونات تقريبًا. تنبعث من جدران hohlraum يتم تسخينها بواسطة أشعة الليزر الضخمة. على الأقل هذا ما اعتقده منظري مشروع NIF.

ومع ذلك ، هنا دخلوا في صراع مع مفهوم hohlraum ، لأنه هذا المصطلح يعني غرفة تكون جدرانها الداخلية متوازنة مع الإشعاع. لكن حادثة إشعاع الليزر السفلية فوق البنفسجية (الضوئية بشكل أساسي) على جدران الغرفة لا يمكن أن تكون في توازن حراري ديناميكي مع إشعاع حراري يطيع قانون ستيفان بولتزمان.

في نفس الوقت ، طبقة بلازما مع درجة حرارة $$$T$ما يقرب من 100 مليون K. البلازما تنبعث منها وتمتص الإشعاع ، مثل الجسم الأسود تمامًا. لذلك ، فإن الإشعاع الممتص بواسطة طبقة البلازما بالقرب من جدران الغرفة لديه طيف بلانك عند درجة الحرارة $$$T$. ولكن هذا ليس صحيحا ، فقط لأن الإشعاع الحادث هو الليزر. بالإضافة إلى ذلك (وهذا هو الأهم!) - بين الفوتونات في أشعة الليزر لا توجد طاقات تصل إلى ~ 10 كيلو فولت. طاقة الفوتونات التي تصل إلى hohlraum من الخارج أقل من 3 إلى 4000 مرة. لذلك ، لا يمكن أن تكون جدران hohlraum متوازنة مع الإشعاع. لكن توازن الديناميكا الحرارية (شبه) سيأتي حتمًا مع تكوين طبقة البلازما وتسخينها ، على غرار الطريقة الموضحة أعلاه للكبسولة. هناك تناقض!

قد ينشأ سؤال معقول هنا: هل أنا لا أتعارض مع نفسي عندما أعتبر ، من ناحية ، أن طبقة البلازما القريبة من السطح متوازنة ديناميكيًا حراريًا ، ومن ناحية أخرى ، أؤكد أن درجة حرارتها تنخفض في العمق. لا ، أنا لا أتعارض ، لأننا نتحدث عن شبه التوازن. وبعبارة أخرى ، يمكن اعتبار طبقة البلازما الخارجية الرقيقة بما فيه الكفاية توازنًا مع الإشعاع وبالتالي تنبعث منها ، وكذلك امتصاص الطاقة في طيف بلانك. هذا هو السبب في أنني غالبًا ما أكتب عن التوازن الديناميكي الحراري (شبه) لسطح بالإشعاع. قد يتساءل أحدهم: لماذا تشع هذه الطبقة الرقيقة في كلا الاتجاهين للحصول على نفس الطاقة التي تستقبلها من ج إلى واحد؟ هل هناك تناقض مع قانون الحفاظ على الطاقة؟ لا يوجد تناقض ، لأنه تتلقى هذه الطبقة الرقيقة أيضًا طاقة من طبقة مجاورة من البلازما تقع أعمق.


هذا ما يبدو عليه مبنى NIF. كل شيء تقريبًا مليء بالليزر

وهكذا ، فإن صورة الأحداث في الغرفة الذهبية ، التي رسمها خيال المنظرون من ليفرمور ، لا تتوافق مع الواقع. من أين حصلوا على ذلك بهذه الطريقة من الممكن ترتيب شيء في الحولروم يشبه ما يحدث في قنبلة نووية حرارية ، حيث لا توجد بصريات ، ولكن فوتونات الأشعة السينية من انفجار المرحلة الأولى من الماء في المرحلة الثانية ؟

لقد أخذوا ذلك من التجارب الناجحة على توليد أشعة الليزر بالليزر في رقاقة رقيقة مضاءة بالليزر البصري شديد التحمل ، وغيرها من هذا النوع ، والتي تم إجراؤها كثيرًا في التسعينات. ولكن ، على ما يبدو ، لم يكن هناك إشعاع جسم أسود يقابل درجة حرارة حوالي 100 مليون كلفن ، والبلازما ككل لم يسخن إلى درجة الحرارة هذه. وبعبارة أخرى ، كانت هذه العمليات ديناميكا حرارية غير متوازنة. وتجدر الإشارة إلى أن طاقة الليزر ، التي لوحظت في هذه الحالة ، كانت ضئيلة بالمقارنة مع طاقة التسخين.

لهذا السبب ، على الرغم من تركيز الطاقة الهائلة والتي تبدو كافية ، فإن الاندماج النووي الحراري "لا يحترق" ، على الرغم من حدوث تفاعل (الاندماج من حيث المبدأ ممكن حتى في درجة حرارة الغرفة ، لأن ذيل توزيع ماكسويل يقترب من الصفر المطلق ، هذا فقط كشف هذا التفاعل من غير المرجح أن ينجح). على ما يبدو ، باستخدام NIF ، من حيث المبدأ ، من المستحيل تحقيق تسخين موحد للكبسولة إلى درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية ، كما هو الحال في قنبلة نووية حرارية.

ولكن ماذا يحدث في هذه الحالة؟ أين تذهب طاقة أشعة الليزر ، والتي كان يجب نظريًا تسخين مادة الكبسولة إلى 100 مليون كلفن؟ يمكن افتراض أن الكبسولة تتوسع قبل الأوان وتخلطها مع بلازما الذهب. أو خلط الديوتريوم والتريتيوم مع مادة الكبسولة. ونتيجة لذلك ، حتى إذا وصلت درجة الحرارة في hohlraum إلى القيم المطلوبة ، فإن الضغط اللازم للتوليف في منطقة التفاعل غير موجود. ولكن ربما يكون هناك شيء آخر أكثر أهمية: لم يتحقق التوازن الديناميكي الحراري لجدران الغرفة وسطح الكبسولة بالإشعاع ، مما يؤدي إلى تسخين متفاوت. الانفجار الداخلي الكروي لا يعمل!

كما يتبين من المنطق السابق ، لكي يعمل الاندماج النووي الحراري بالقصور الذاتي ، من الضروري تشعيع الكبسولة بفوتونات الأشعة السينية. أي أنك تحتاج إلى التكاثر في صورة مصغرة. آلية الانفجار الإشعاعي المستخدمة في قنبلة نووية حرارية. مصدر الأشعة السينية بكثافة كافية هو ليزر الأشعة السينية الافتراضي الذي يتم ضخه بواسطة الانفجار بالأشعة السينية . نظرًا لأن الفوتونات التي تبلغ طاقتها 10 كيلوفولت مطلوبة ، فإن قوة انفجار المضخة يجب أن تكون مئات الكيلوتونات أو ربما ميغا طن. بالطبع ، الفكرة هي إشعال النار في التوليف في حجم ~ 1 سم مكعب. مم باستخدام انفجار في ميغاواط أمر سخيف.

اليوم ، تجرى التجارب باستخدام أشعة الليزر الإلكترونية بالأشعة السينية. لتوليد على طول موجة 1 Angstrom ، يجب أن يقترن مع مسرعات إلكترون كبيرة. هذا ليس أقل من هيكل Cyclopean من NIF. ولكن ربما بهذه الطريقة سوف تتحول إلى قنبلة نووية حرارية أو نجمة مصغرة - كما تريد. على الرغم من أن الأشعة السينية تنعكس بشكل سيئ للغاية ، إلا أنه سيكون من الصعب جدًا تركيزها.

ملاحظات ختامية.

1. شبه التوازن هو الحالة الآنية لعملية بلا توازن ، والتي يمكن اعتبارها توازنًا مع وجود خطأ لا يذكر.
2. لا يتعارض الاقتراح باستخدام ليزر الأشعة السينية لتسخين قرص نووي حراري مع التأكيد على أن حادث الإشعاع على جدران الكبسولة يجب أن يحتوي على طيف بلانك. سيكون له مثل هذا الطيف تقريبًا بسبب التشتت غير المرن لفوتونات الأشعة السينية على جدران hohlraum.
3. بالتأكيد في تفكيري ، يمكنك العثور على العديد من عدم الدقة الرسمية. هذا لا يزال غير علمي ، ولكنه مقال علمي شائع. ولكن مع ذلك ، يبدو لي أن جوهر مشكلة NIF الرئيسية في هذه المقالة ينعكس بشكل صحيح.
4. على وجه الخصوص ، إذا كان من المفترض أن يشع NIF الكبسولة ليس بالأشعة السينية ولكن مع الأشعة السينية الناعمة (أو الأشعة فوق البنفسجية الصلبة) عند درجة حرارة عدة ملايين K (أي بعيدًا عن 100) ، في هذه الحالة تظل الحجج المذكورة أعلاه ضد NIF صالحة. أي: لا يمكن أن يحدث طيف انبعاث Planck لجدران hohlraum مع ذروة ~ 1 KeV أو حتى 0.1 KeV في طيف امتصاص الليزر بفوتونات ~ 1 eV إذا كان هناك توازن ديناميكي حراري (شبه). إذا لم يحدث ذلك ، فمن المستحيل حدوث انفجار داخلي كروي.