¿Por qué no se enciende NIF?

Esto es hohlraum

El exclusivo complejo de National Ignition Facility - “National Incendiary Equipment” en el Laboratorio Lawrence Livermore (EE. UU.) Proporciona experimentos con fusión termonuclear inercial. Este es el sistema láser más potente del mundo y un complejo de laboratorio único. Todo lo relacionado con equipos y soluciones técnicas merece las calificaciones más altas y es muy costoso.

El lugar donde debería tener lugar la microexplosión termonuclear se llama la palabra alemana hohlraum. Una cámara dorada, que debería proporcionar un calentamiento uniforme de una tableta termonuclear con energía electromagnética emitida por las paredes. Algo similar con el mismo nombre y para el mismo tiene una bomba de "hidrógeno". Solo que es más grande, y la fuente de fotones son los rayos X de la explosión nuclear primaria, que penetran en el hohlraum a través de un canal de radiación (entre etapas).

A través de dos entradas, el interior de la cámara de oro está iluminado por 192 rayos láser ultravioleta con una potencia total de hasta 500 teravatios. Dentro de 3 a 5 nanosegundos, se reciben 2 a 4 MJ de energía allí, que deben ser re-irradiados por las paredes en el rango de rayos X. Una tableta termonuclear contiene 15 microgramos de deuterio y tritio a una temperatura de 18 K, así como gas inyectado en la cavidad interna. La cápsula tiene una carcasa esférica con un diámetro de 2 mm. Su recubrimiento ablativo puede estar hecho de berilio o tiene una estructura compuesta basada en polietileno. Absorbe hasta 100 KJ de energía, lo que resulta en la implosión por radiación de la cápsula. La densidad de la sustancia alcanza 1000 g / cc, y la temperatura del relleno de deuterio-tritio se eleva a cientos de millones de grados. Después de eso, solo le queda una cosa. Explota como una bomba termonuclear o enciende como una estrella, como quieras.

El rendimiento de microexplosión calculado puede alcanzar 20 MJ, lo que equivale a 5 kg de TNT. Formalmente, habrá fusión termonuclear efectiva, controlada, inercial, termonuclear. De hecho, teniendo en cuenta la eficiencia del sistema láser no más del 1%, dicha tecnología no conducirá a una fuente práctica de energía. Solo se requieren 420 MJ para cargar los condensadores que suministran amplificadores láser. Pero el objetivo de NIF no es la generación de energía, sino la ciencia fundamental.


Sin embargo, una reacción de eficiencia energética, es decir, "quema termonuclear" falla obstinadamente. Aunque la reacción es el lugar para estar. El New York Times publicó el 6 de octubre de 2012 una nota crítica que indica que el programa NIF no logró sus objetivos establecidos y no es un hecho que lo logrará alguna vez . Hoy ya podemos concluir que los objetivos de NIF no se logran. ¡La fusión termonuclear no arde tercamente, sin importar los trucos que hagan los Livermoreites!

Se puede suponer por qué esto iba a suceder. La compresión esféricamente simétrica de la cápsula solo es posible en un estado de equilibrio termodinámico. En este caso, la temperatura de la superficie de la cápsula en cada punto es la misma, lo que proporciona una ablación simétrica. Supongamos que los eventos en hohlraume suceden como imaginan los teóricos del proyecto NIF.

Luego, poco después del inicio de la irradiación de rayos X (estamos hablando de fracciones de un nanosegundo), la superficie de la cápsula esférica calienta hasta decenas de millones de K y se forma una capa de plasma ultradelgada, que está en (cuasi) equilibrio con la radiación. Esto significa que la capa de plasma cercana a la superficie emite aproximadamente la misma cantidad de energía electromagnética que recibe, pero también la irradia hacia adentro. Esto último conduce al calentamiento de la cápsula en profundidad y, en consecuencia, a un engrosamiento de la capa de plasma. A medida que se aleja de la superficie exterior, su temperatura disminuye hasta que la radiación hacia el interior se vuelve insignificante. En este caso, la radiación hacia el exterior es igual en intensidad con la radiación incidente en la cápsula, es decir. El equilibrio vendrá. Al mismo tiempo, la capa de plasma se expande debido a la presión, que es la parte más importante del proceso de ablación para la implosión.

Fundamentalmente importante es el hecho de que durante el proceso de ablación, la superficie de la cápsula está en equilibrio termodinámico (cuasi) con radiación. Esto nos permite estimar la cantidad de energía que ingresa a la cápsula utilizando la ley de Stefan-Boltzmann para la radiación de un cuerpo completamente negro:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

donde $$$I$- intensidad de radiación (W / m2) de la superficie o incidente en la superficie calentada a una temperatura $$$T$Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$- Constante de Stefan-Boltzmann (en SI).

De ello se deduce que la radiación incidente en la cápsula tiene un espectro de Planck correspondiente a la temperatura $$$T$superficie de la cápsula Así es como se ve el espectro cuando $$$T = 8 \ cdot 10 ^ 7$K donde $$$N (E)$- fracción de fotones con energía $$$E$en el número total de fotones emitidos por segundo (estamos hablando de la distribución de densidad del número de fotones por energía).


En este espectro, la mayor densidad de flujo de fotones se explica por la energía ligeramente superior a 10 KeV, que corresponde a la radiación de rayos X con una longitud de onda de aproximadamente 1 Angstrom. Este es un espectro típico de radiación en la zona de difusión de radiación durante la explosión de una bomba nuclear (aproximadamente 0,5 microsegundos después del inicio de una reacción en cadena, aproximadamente un metro desde el punto cero, todavía no hay un destello cegador).

Pero, ¿de dónde provienen los fotones de un espectro de Planck tan caliente que riegan la cápsula desde el exterior? En los rayos láser, casi no existen tales fotones. Son emitidos por paredes de hohlraum calentadas por rayos mega-láser. Al menos eso pensaron los teóricos del proyecto NIF.

Sin embargo, aquí entraron en conflicto con el concepto mismo de hohlraum, porque Este término significa una cámara cuyas paredes internas están en equilibrio con la radiación. Pero la radiación láser ultravioleta inferior (esencialmente óptica) incidente en las paredes de la cámara no puede estar en equilibrio termodinámico con radiación térmica que obedece la ley de Stefan-Boltzmann.

Al mismo tiempo, una capa de plasma con una temperatura $$$T$cerca de 100 millones de K. El plasma emite y absorbe radiación, como un cuerpo completamente negro. Por lo tanto, la radiación absorbida por la capa de plasma cerca de las paredes de la cámara tiene el espectro de Planck a temperatura $$$T$. Pero esto no es así, aunque solo sea porque la radiación incidente es láser. Además (¡y esto es más importante!): Entre los fotones en los rayos láser no hay energías de ~ 10 keV. La energía de los fotones que llegan al hohlraum desde afuera es de 3 a 4,000 veces menos. Por lo tanto, las paredes del hohlraum no pueden estar en equilibrio con la radiación. Pero el equilibrio termodinámico (cuasi) inevitablemente se producirá cuando la capa de plasma se forme y se caliente, de forma similar a la descrita anteriormente para la cápsula. ¡Hay una contradicción!

Aquí puede surgir una pregunta razonable: ¿no me estoy contradiciendo cuando, por un lado, considero que la capa de plasma cercana a la superficie está termodinámicamente equilibrada, y por el otro, afirmo que su temperatura cae en profundidad. No, no lo contradigo, porque estamos hablando de cuasi-equilibrio. En otras palabras, una capa de plasma exterior suficientemente delgada puede considerarse equilibrio con la radiación y, por lo tanto, emitir, así como absorber energía en el espectro de Planck. Es por eso que a menudo escribo sobre el equilibrio termodinámico (cuasi) de una superficie con radiación. Alguien puede preguntar: ¿por qué esta delgada capa irradia en ambas direcciones para obtener tanta energía como la que recibe de una a una? ¿Existe una contradicción con la ley de conservación de la energía? No hay contradicción, porque Esta delgada capa también recibe energía de una capa adyacente de plasma que se encuentra más profunda.


Así es como se ve el edificio NIF. Casi todo está lleno de láser.

Por lo tanto, la imagen de los acontecimientos en la cámara dorada, dibujada por la imaginación de los teóricos de Livermore, no corresponde a la realidad. ¿De dónde sacaron que de esta manera es posible organizar en el hohlraum algo similar a lo que sucede en una bomba termonuclear, donde de ninguna manera es óptico, pero los fotones de rayos X de la explosión de la primera etapa riegan la segunda ?

Tomaron esto de experimentos exitosos sobre la generación de rayos X láser en una lámina delgada iluminada por un láser óptico de alta resistencia, y otros de este tipo, que se llevaron a cabo mucho en los años 90. Pero, aparentemente, no había radiación de cuerpo negro correspondiente a una temperatura de aproximadamente 100 millones de K, y el plasma en su conjunto no se calentó a tal temperatura. En otras palabras, estos procesos fueron termodinámicamente sin equilibrio. Vale la pena señalar que la energía del láser, que se observó en este caso, fue insignificante en comparación con la energía de calentamiento.

Es por eso que, a pesar de la concentración de energía colosal y aparentemente suficiente, la fusión termonuclear "no arde", aunque ocurre una reacción (la fusión en principio es posible incluso a temperatura ambiente, porque la cola de la distribución de Maxwell se aproxima al cero absoluto, eso es solo detectar esta reacción es poco probable que tenga éxito). Aparentemente, usando NIF, en principio, es imposible lograr un calentamiento uniforme de la cápsula a una temperatura suficientemente alta, como es el caso de una bomba termonuclear.

¿Pero qué pasa en ese caso? ¿A dónde va la energía de los rayos láser, que teóricamente debería haber calentado la sustancia de la cápsula a 100 millones de K? Se puede suponer que la cápsula se expande prematuramente y se mezcla con plasma de oro. O mezclar deuterio y tritio con la sustancia de la cápsula. Como resultado, incluso si la temperatura en hohlraum alcanza los valores deseados, la presión necesaria para la síntesis en la zona de reacción está ausente. Pero quizás algo más sea más importante: no se logra el equilibrio termodinámico de las paredes de la cámara y la superficie de la cápsula con radiación, lo que conduce a un calentamiento desigual. ¡La implosión esférica no funciona!

Como se puede ver en el razonamiento anterior, para que la fusión termonuclear inercial funcione, es necesario irradiar la cápsula con fotones de rayos X. Es decir, necesitas reproducir en miniatura. Mecanismo de implosión de radiación utilizado en una bomba termonuclear. Una fuente de rayos X de intensidad suficiente es un hipotético láser de rayos X bombeado por explosión nuclear. Como se necesitan fotones con una energía de ~ 10 keV, la potencia de la explosión de la bomba debería ser de cientos de kilotones o, posiblemente, megatones. Por supuesto, la idea es prender fuego a la síntesis en un volumen de ~ 1 cc. mm usando una explosión en un megatón es absurdo.

Hoy en día, se están realizando experimentos con láser de rayos X de electrones libres. Para generar a una longitud de onda de 1 Angstrom, deben estar acoplados con grandes aceleradores de electrones. Esta no es menos una estructura ciclópea que NIF. Pero tal vez de esta manera se encenderá una bomba termonuclear o una estrella en miniatura, como quieras. Aunque los rayos X se reflejan muy mal, será muy difícil enfocarlos.

Observaciones finales

1. El cuasi-equilibrio es el estado instantáneo de un proceso de no equilibrio, que puede considerarse equilibrio con un error insignificante.
2. La propuesta de usar un láser de rayos X para calentar una tableta termonuclear no contradice la afirmación de que la radiación incidente en las paredes de la cápsula debe tener el espectro de Planck. Tendrá aproximadamente ese espectro debido a la dispersión inelástica de los fotones de rayos X en las paredes del hohlraum.
3. Seguramente en mi razonamiento puedes encontrar muchas inexactitudes formales. Esto todavía no es un artículo científico, sino un artículo de divulgación científica. Pero aún así, me parece que la esencia del problema principal de NIF en este artículo se refleja correctamente.
4. En particular, si se supone que el NIF irradia la cápsula no con rayos X sino con fotones de rayos X blandos (o ultravioleta duro) a una temperatura de varios millones de K (es decir, lejos de 100), entonces en este caso los argumentos anteriores contra NIF siguen siendo válidos. A saber: el espectro de emisión de Planck de las paredes del hohlraum con un pico de ~ 1 KeV o incluso ~ 0.1 KeV no puede tener lugar en el espectro de absorción láser con fotones de ~ 1 eV, si se produce un equilibrio termodinámico (cuasi). Si no tiene lugar, entonces la implosión esféricamente simétrica es imposible.