Warum zündet NIF nicht?

Das ist Hohlraum

Der einzigartige Komplex der National Ignition Facility - „National Incendiary Equipment“ im Lawrence Livermore Laboratory (USA) - bietet Experimente zur thermonuklearen Trägheitsfusion. Dies ist das leistungsstärkste Lasersystem der Welt und ein einzigartiger Laborkomplex. Alles, was mit Ausrüstung und technischen Lösungen zu tun hat, verdient die höchste Bewertung und ist sehr teuer.

Der Ort, an dem die thermonukleare Mikroexplosion stattfinden soll, wird als deutsches Wort hohlraum bezeichnet. Eine goldene Kammer, die eine gleichmäßige Erwärmung einer thermonuklearen Tablette mit elektromagnetischer Energie ermöglichen soll, die von den Wänden abgegeben wird. Ähnliches mit dem gleichen Namen und für das gleiche hat eine "Wasserstoff" -Bombe. Nur größer, und die Photonenquelle sind Röntgenstrahlen der primären Kernexplosion, die durch einen Strahlungskanal (Zwischenstufe) in den Hohlraum eindringen.

Durch zwei Einlässe wird das Innere der Goldkammer von 192 ultravioletten Laserstrahlen mit einer Gesamtleistung von bis zu 500 Terawatt beleuchtet. Innerhalb von 3 - 5 Nanosekunden werden dort 2 - 4 MJ Energie empfangen, die von den Wänden im Röntgenbereich wieder abgestrahlt werden muss. Eine thermonukleare Tablette enthält 15 Mikrogramm Deuterium und Tritium bei einer Temperatur von 18 K sowie in den inneren Hohlraum injiziertes Gas. Die Kapsel hat eine Kugelschale mit einem Durchmesser von 2 mm. Die ablative Beschichtung kann aus Beryllium bestehen oder eine Verbundstruktur auf Polyethylenbasis aufweisen. Es absorbiert bis zu 100 KJ Energie, was zu einer Strahlungsimplosion der Kapsel führt. Die Dichte der Substanz erreicht 1000 g / cm³ und die Temperatur der Deuterium-Tritium-Füllung steigt auf Hunderte von Millionen Grad. Danach hat sie nur noch eins übrig. Explodieren Sie wie eine Kernbombe oder leuchten Sie wie ein Stern - wie Sie möchten.

Die berechnete Mikroexplosionsausbeute kann 20 MJ erreichen, was 5 kg TNT entspricht. Formal wird es eine effektive, kontrollierte, träge, thermonukleare Fusion geben. Wenn der Wirkungsgrad des Lasersystems nicht mehr als 1% beträgt, führt eine solche Technologie nicht zu einer praktischen Energiequelle. Zum Laden von Kondensatoren, die Laserverstärker versorgen, sind nur 420 MJ erforderlich. Das Ziel von NIF ist jedoch nicht die Stromerzeugung, sondern die Grundlagenforschung.


Eine energieeffiziente Reaktion, dh "thermonukleares Verbrennen", schlägt jedoch hartnäckig fehl. Obwohl die Reaktion der richtige Ort ist. Die New York Times veröffentlichte am 6. Oktober 2012 einen kritischen Hinweis, dass das NIF- Programm seine erklärten Ziele nicht erreicht hat und keine Tatsache ist, die es jemals erreichen wird . Wir können bereits heute den Schluss ziehen, dass die Ziele des NIF nicht erreicht werden. Die Kernfusion brennt nicht hartnäckig, egal welche Tricks die Livermoreites machen würden!

Es ist davon auszugehen, warum dies geschehen sollte. Eine sphärisch symmetrische Kompression der Kapsel ist nur im thermodynamischen Gleichgewichtszustand möglich. In diesem Fall ist die Oberflächentemperatur der Kapsel an jedem Punkt gleich, was eine symmetrische Ablation ermöglicht. Angenommen, Ereignisse in Hohlraume ereignen sich so, wie es sich Theoretiker des NIF-Projekts vorgestellt haben.

Kurz nach Beginn der Röntgenbestrahlung (es handelt sich um Bruchteile einer Nanosekunde) erwärmt sich die Oberfläche der Kugelkapsel auf mehrere zehn Millionen K und es bildet sich eine ultradünne Plasmaschicht, die sich (quasi) im Gleichgewicht mit der Strahlung befindet. Dies bedeutet, dass die oberflächennahe Plasmaschicht ungefähr die gleiche Menge elektromagnetischer Energie emittiert, die sie empfängt, diese aber auch im Inneren ausstrahlt. Letzteres führt zur Erhitzung der Kapsel in der Tiefe und dementsprechend zu einer Verdickung der Plasmaschicht. Wenn Sie sich von der Außenfläche entfernen, sinkt die Temperatur, bis die Strahlung nach innen vernachlässigbar wird. In diesem Fall ist die Strahlung nach außen gleich intensiv wie die auf die Kapsel einfallende Strahlung, d.h. Gleichgewicht wird kommen. Gleichzeitig dehnt sich die Plasmaschicht aufgrund des Drucks aus, der der wichtigste Teil des Ablationsprozesses für die Implosion ist.

Grundsätzlich wichtig ist die Tatsache, dass sich die Oberfläche der Kapsel während des Ablationsprozesses im thermodynamischen (quasi) Gleichgewicht mit der Strahlung befindet. Auf diese Weise können wir die in die Kapsel eintretende Energiemenge mithilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes für die Strahlung eines vollständig schwarzen Körpers abschätzen:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

wo $$$I$- Strahlungsintensität (W / m²) von der Oberfläche oder auf die auf eine Temperatur erhitzte Oberfläche einfallend $$$T$Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$- Stefan-Boltzmann-Konstante (in SI).

Daraus folgt, dass die auf die Kapsel einfallende Strahlung ein Planck-Spektrum aufweist, das der Temperatur entspricht $$$T$Kapseloberfläche. So sieht das Spektrum wann aus $$$T = 8 \ cdot 10 ^ 7$K wo $$$N (E)$- Anteil der Photonen mit Energie $$$E$in der Gesamtzahl der pro Sekunde emittierten Photonen (wir sprechen über die Dichteverteilung der Anzahl der Photonen durch Energie).


In diesem Spektrum ist die höchste Photonenflussdichte auf Energie etwas über 10 KeV zurückzuführen, was Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1 Angström entspricht. Dies ist ein typisches Strahlungsspektrum in der Strahlungsdiffusionszone während der Explosion einer Atombombe (etwa 0,5 Mikrosekunden nach Beginn einer Kettenreaktion, etwa einen Meter vom Nullpunkt entfernt, gibt es immer noch keinen blendenden Blitz).

Aber woher kommen die Photonen eines so heißen Planck-Spektrums, die die Kapsel von außen bewässern? In Laserstrahlen gibt es fast keine solchen Photonen. Sie werden von Hohlraumwänden emittiert, die mit Mega-Laserstrahlen beheizt werden. Zumindest dachten das die Theoretiker des NIF-Projekts.

Hier gerieten sie jedoch in Konflikt mit dem Konzept des Hohlraums, weil Dieser Begriff bedeutet eine Kammer, deren Innenwände im Gleichgewicht mit der Strahlung stehen. Die auf die Kammerwände einfallende niedrigere ultraviolette (im Wesentlichen optische) Laserstrahlung kann jedoch nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Wärmestrahlung stehen, die dem Stefan-Boltzmann-Gesetz entspricht.

Gleichzeitig eine Plasmaschicht mit einer Temperatur $$$T$Nahezu 100 Millionen K. Plasma emittiert und absorbiert Strahlung wie ein vollständig schwarzer Körper. Daher hat die von der Plasmaschicht nahe den Wänden der Kammer absorbierte Strahlung das Planck-Spektrum bei Temperatur $$$T$. Dies ist jedoch nicht der Fall, schon allein deshalb, weil die einfallende Strahlung ein Laser ist. Zusätzlich (und das ist wichtiger!) - Unter Photonen in Laserstrahlen gibt es keine Energien von ~ 10 keV. Die Energie von Photonen, die von außen in den Hohlraum gelangen, ist 3- bis 4.000-mal geringer. Daher können die Wände des Hohlraums nicht mit der Strahlung im Gleichgewicht sein. Das thermodynamische (quasi) Gleichgewicht wird jedoch unvermeidlich eintreten, wenn die Plasmaschicht gebildet und erwärmt wird, ähnlich wie oben für die Kapsel beschrieben. Es gibt einen Widerspruch!

Hier kann sich eine vernünftige Frage stellen: Widerspreche ich mir nicht, wenn ich einerseits die oberflächennahe Plasmaschicht als thermodynamisch ausgeglichen betrachte und andererseits bestätige, dass ihre Temperatur in der Tiefe abfällt. Nein, ich widerspreche nicht, weil wir über Quasi-Gleichgewicht sprechen. Mit anderen Worten kann eine ausreichend dünne äußere Plasmaschicht als Gleichgewicht mit Strahlung angesehen werden und daher emittieren sowie Energie im Planck-Spektrum absorbieren. Deshalb schreibe ich oft über das thermodynamische (quasi) Gleichgewicht einer Oberfläche mit Strahlung. Jemand könnte fragen: Warum strahlt diese dünne Schicht in beide Richtungen so viel Energie aus, wie sie von einem c auf eins erhält? Gibt es einen Widerspruch zum Energieerhaltungsgesetz? Es gibt keinen Widerspruch, weil Diese dünne Schicht erhält auch Energie von einer benachbarten Plasmaschicht, die tiefer liegt.


So sieht das NIF-Gebäude aus. Fast alles ist mit einem Laser gefüllt

Somit entspricht das Bild der Ereignisse in der goldenen Kammer, das von der Vorstellung der Theoretiker aus Livermore gezeichnet wurde, nicht der Realität. Woher haben sie das? Auf diese Weise ist es möglich, im Hohlraum etwas Ähnliches zu arrangieren, wie es in einer thermonuklearen Bombe geschieht, wo keineswegs optisch, sondern Röntgenphotonen aus der Explosion des Wassers der ersten Stufe der zweiten ?

Sie nahmen dies aus erfolgreichen Experimenten zur Erzeugung von Laserröntgen in einer dünnen Folie, die von einem optischen Hochleistungslaser beleuchtet wurde, und anderen Experimenten dieser Art, die in den 90er Jahren häufig durchgeführt wurden. Anscheinend gab es jedoch keine Schwarzkörperstrahlung, die einer Temperatur von etwa 100 Millionen K entsprach, und das Plasma als Ganzes erwärmte sich nicht auf eine solche Temperatur. Mit anderen Worten waren diese Prozesse thermodynamisch kein Gleichgewicht. Es ist anzumerken, dass die in diesem Fall beobachtete Laserenergie im Vergleich zur Heizenergie vernachlässigbar war.

Deshalb brennt die thermonukleare Fusion trotz der Konzentration an kolossaler und scheinbar ausreichender Energie nicht, obwohl eine Reaktion stattfindet (die Fusion ist im Prinzip sogar bei Raumtemperatur möglich, da sich der Schwanz der Maxwell-Verteilung dem absoluten Nullpunkt nähert Es ist unwahrscheinlich, dass diese Reaktion erfolgreich ist. Offensichtlich ist es mit NIF im Prinzip unmöglich, eine gleichmäßige Erwärmung der Kapsel auf eine ausreichend hohe Temperatur zu erreichen, wie dies bei einer thermonuklearen Bombe der Fall ist.

Aber was passiert in diesem Fall? Wohin geht die Energie von Laserstrahlen, die theoretisch die Substanz der Kapsel auf 100 Millionen K hätten erwärmen sollen? Es ist davon auszugehen, dass sich die Kapsel vorzeitig ausdehnt und mit Goldplasma mischt. Oder Deuterium und Tritium mit der Substanz der Kapsel mischen. Selbst wenn die Temperatur im Hohlraum die gewünschten Werte erreicht, fehlt somit der für die Synthese in der Reaktionszone notwendige Druck. Aber vielleicht ist etwas anderes wichtiger: Das thermodynamische Gleichgewicht der Wände der Kammer und der Oberfläche der Kapsel mit Strahlung wird nicht erreicht, was zu einer ungleichmäßigen Erwärmung führt. Sphärische Implosion funktioniert nicht!

Wie aus den vorhergehenden Überlegungen ersichtlich ist, ist es notwendig, die Kapsel mit Röntgenphotonen zu bestrahlen, damit die träge thermonukleare Fusion funktioniert. Das heißt, Sie müssen in Miniatur reproduzieren. Strahlungsimplosionsmechanismus in einer Kernbombe. Eine Röntgenquelle mit ausreichender Intensität ist ein hypothetischer nuklearer explosionsgepumpter Röntgenlaser . Da Photonen mit einer Energie von ~ 10 keV benötigt werden, sollte die Leistung der Pumpenexplosion Hunderte von Kilotonnen oder möglicherweise Megatonnen betragen. Die Idee ist natürlich, die Synthese in einem Volumen von ~ 1 cm³ in Brand zu setzen. mm mit einer Explosion in Megatonnen ist absurd.

Heute werden Experimente mit Röntgenelektronenlasern durchgeführt. Um bei einer Wellenlänge von 1 Angström zu erzeugen, müssen sie mit großen Elektronenbeschleunigern gekoppelt werden. Dies ist nicht weniger eine zyklopische Struktur als NIF. Aber vielleicht wird auf diese Weise eine thermonukleare Bombe oder ein Miniaturstern angezündet - wie Sie möchten. Obwohl Röntgenstrahlen sehr schlecht reflektiert werden, wird es sehr schwierig sein, sie zu fokussieren.

Abschließende Bemerkungen.

1. Quasi-Gleichgewicht ist der augenblickliche Zustand eines Nichtgleichgewichtsprozesses, der als Gleichgewicht mit einem vernachlässigbaren Fehler angesehen werden kann.
2. Der Vorschlag, eine thermonukleare Tablette mit einem Röntgenlaser aufzuheizen, widerspricht nicht der Behauptung, dass die auf die Wände der Kapsel einfallende Strahlung das Planck-Spektrum aufweisen sollte. Aufgrund der unelastischen Streuung von Röntgenphotonen an den Wänden des Hohlraums wird es ungefähr ein solches Spektrum aufweisen.
3. Sicherlich finden Sie in meiner Argumentation viele formale Ungenauigkeiten. Dies ist immer noch kein wissenschaftlicher, sondern ein populärwissenschaftlicher Artikel. Dennoch scheint es mir, dass die Essenz des Hauptproblems der NIF in diesem Artikel korrekt wiedergegeben wird.
4. Insbesondere wenn das NIF die Kapsel nicht mit Röntgenphotonen, sondern mit weichen Röntgenphotonen (oder harten ultravioletten Photonen) bei einer Temperatur von mehreren Millionen K (d. H. Weit von 100) bestrahlen soll, bleiben in diesem Fall die obigen Argumente gegen NIF gültig. Das Planck-Emissionsspektrum von Hohlraumwänden mit einem Peak von ~ 1 KeV oder sogar ~ 0,1 KeV kann im Laserabsorptionsspektrum mit Photonen von ~ 1 eV nicht stattfinden, wenn ein thermodynamisches (Quasi) Gleichgewicht vorliegt. Wenn es nicht stattfindet, ist eine sphärisch symmetrische Implosion unmöglich.