Mengapa NIF tidak menyala?

Ini adalah hohlraum

Kompleks Fasilitas Pengapian Nasional yang unik - "Peralatan Pembakaran Nasional" di Laboratorium Lawrence Livermore (AS) menyediakan eksperimen dengan fusi termonuklir inersia. Ini adalah sistem laser paling kuat di dunia dan kompleks laboratorium yang unik. Segala sesuatu yang terkait dengan peralatan dan solusi teknis layak mendapat peringkat tertinggi dan sangat mahal.

Tempat di mana ledakan mikro termonuklir harus terjadi disebut kata Jerman hohlraum. Sebuah ruang emas, yang harus menyediakan pemanasan seragam dari tablet termonuklir dengan energi elektromagnetik yang dipancarkan oleh dinding. Sesuatu yang mirip dengan nama yang sama dan untuk yang sama memiliki bom "hidrogen". Hanya lebih besar, dan sumber foton adalah sinar-x dari ledakan nuklir primer, menembus hohlraum melalui saluran radiasi (interstage).

Melalui dua lubang masuk, bagian dalam ruang emas diterangi oleh 192 sinar laser ultraviolet dengan total daya hingga 500 Terawatt. Dalam 3 - 5 nanodetik, 2 - 4 MJ energi diterima di sana, yang harus diregenerasi ulang oleh dinding dalam kisaran sinar-X. Tablet termonuklir mengandung 15 mikrogram deuterium dan tritium pada suhu 18 K, serta gas yang disuntikkan ke dalam rongga internal. Kapsul ini memiliki cangkang bulat dengan diameter 2 mm. Lapisan ablatifnya dapat dibuat dari berilium atau memiliki struktur komposit berdasarkan polietilen. Ini menyerap hingga 100 KJ energi, menghasilkan ledakan radiasi kapsul. Kerapatan bahan mencapai 1000 g / cc, dan suhu pengisian deuterium-tritium naik hingga ratusan juta derajat. Setelah itu, dia hanya memiliki satu hal yang tersisa. Meledak seperti bom termonuklir atau menyala seperti bintang - sesuka Anda.

Hasil ledakan mikro yang dihitung dapat mencapai 20 MJ, yang setara dengan 5 kg TNT. Secara formal, akan ada fusi termonuklir yang efektif, terkendali, inersia, dan termonuklir. Bahkan, dengan mempertimbangkan efisiensi sistem laser tidak lebih dari 1%, teknologi seperti itu tidak akan mengarah pada sumber energi praktis. Hanya 420 MJ yang diperlukan untuk mengisi kapasitor yang memasok amplifier laser. Tetapi tujuan NIF bukanlah pembangkit listrik, tetapi ilmu pengetahuan mendasar.


Namun, reaksi hemat energi, yaitu, "pembakaran termonuklear" dengan keras kepala gagal. Meskipun reaksi adalah tempatnya. The New York Times menerbitkan pada tanggal 6 Oktober 2012 sebuah catatan kritis yang menyatakan bahwa program NIF tidak mencapai tujuan yang dinyatakan dan bukan fakta bahwa itu akan pernah tercapai . Hari ini kita sudah dapat menyimpulkan bahwa tujuan NIF tidak tercapai. Fusi termonuklir tidak terbakar dengan keras kepala, tidak peduli trik apa yang akan dilakukan Livermoreites!

Dapat diasumsikan mengapa ini terjadi. Kompresi kapsul simetris bola hanya mungkin dalam keadaan kesetimbangan termodinamika. Dalam hal ini, suhu permukaan kapsul pada setiap titik adalah sama, yang memberikan ablasi simetris. Misalkan peristiwa dalam hohlraume terjadi seperti yang dibayangkan oleh para ahli teori proyek NIF.

Kemudian, segera setelah dimulainya iradiasi sinar-X (kita berbicara tentang fraksi nanodetik), permukaan kapsul bola memanas hingga puluhan juta K dan lapisan plasma ultrathin terbentuk, yang berada dalam (kuasi) kesetimbangan dengan radiasi. Ini berarti bahwa lapisan plasma di dekat permukaan memancarkan jumlah energi elektromagnetik yang sama dengan yang diterimanya, tetapi juga memancarkannya ke dalam. Yang terakhir mengarah ke pemanasan kapsul secara mendalam dan, karenanya, ke penebalan lapisan plasma. Saat Anda bergerak menjauh dari permukaan luar, suhunya menurun hingga radiasi ke dalam diabaikan. Dalam hal ini, radiasi ke luar sama intensitasnya dengan insiden radiasi pada kapsul, mis. keseimbangan akan datang. Pada saat yang sama, lapisan plasma mengembang karena tekanan, yang merupakan bagian terpenting dari proses ablasi untuk ledakan.

Yang penting secara fundamental adalah kenyataan bahwa selama proses ablasi, permukaan kapsul berada dalam kesetimbangan termodinamika (kuasi) dengan radiasi. Ini memungkinkan kami memperkirakan jumlah energi yang masuk ke kapsul menggunakan hukum Stefan-Boltzmann untuk radiasi tubuh yang benar-benar hitam:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

dimana $$$I$- Intensitas radiasi (W / sq.m) dari permukaan atau insiden pada permukaan yang dipanaskan hingga suhu $$$T$Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$- Konstanta Stefan-Boltzmann (dalam SI).

Oleh karena itu, insiden radiasi pada kapsul memiliki spektrum Planck yang sesuai dengan suhu $$$T$permukaan kapsul. Ini adalah apa yang tampak seperti spektrum kapan $$$T = 8 \ cdot 10 ^ 7$K dimana $$$N (E)$- pecahan foton dengan energi $$$E$dalam jumlah total foton yang dipancarkan per detik (kita berbicara tentang distribusi kepadatan jumlah foton oleh energi).


Dalam spektrum ini, kerapatan fluks foton tertinggi diperhitungkan oleh energi sedikit di atas 10 KeV, yang sesuai dengan radiasi sinar-x dengan panjang gelombang sekitar 1 Angstrom. Ini adalah spektrum khas radiasi di zona difusi radiasi selama ledakan bom nuklir (sekitar 0,5 mikrodetik setelah dimulainya reaksi berantai, sekitar satu meter dari titik nol, masih belum ada blinding yang menyilaukan).

Tapi dari mana datangnya foton dari spektrum Planck yang begitu panas, menyirami kapsul dari luar? Dalam sinar laser, hampir tidak ada foton seperti itu. Mereka dipancarkan oleh dinding hohlraum yang dipanaskan oleh sinar mega-laser. Setidaknya itulah yang dipikirkan oleh para ahli teori proyek NIF.

Namun, di sini mereka bertentangan dengan konsep hohlraum, karena istilah ini berarti sebuah ruangan yang dinding bagian dalamnya berada dalam keseimbangan dengan radiasi. Tetapi insiden radiasi sinar ultraviolet (dasarnya optik) yang lebih rendah pada dinding ruang tidak bisa berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan radiasi termal yang mematuhi hukum Stefan-Boltzmann.

Pada saat yang sama, lapisan plasma dengan suhu $$$T$hampir 100 juta K. Plasma memancarkan dan menyerap radiasi, seperti tubuh yang benar-benar hitam. Oleh karena itu, radiasi yang diserap oleh lapisan plasma di dekat dinding ruang memiliki spektrum Planck pada suhu $$$T$. Tetapi ini tidak benar, jika hanya karena radiasi adalah laser. Selain itu (dan ini lebih penting!) - di antara foton dalam sinar laser tidak ada energi ~ 10 keV. Energi foton yang tiba di hohlraum dari luar adalah 3 hingga 4.000 kali lebih sedikit. Oleh karena itu, dinding hohlraum tidak dapat berada dalam kesetimbangan dengan radiasi. Tetapi kesetimbangan termodinamika (kuasi) pasti akan datang ketika lapisan plasma terbentuk dan memanas, mirip dengan cara yang dijelaskan di atas untuk kapsul. Ada kontradiksi!

Sebuah pertanyaan yang masuk akal mungkin muncul di sini: apakah saya tidak bertentangan dengan diri saya ketika, di satu sisi, saya menganggap lapisan plasma dekat-permukaan seimbang secara termodinamika, dan di sisi lain, saya menegaskan bahwa suhunya turun dalam-dalam. Tidak, saya tidak membantah, karena kita berbicara tentang quasi-equilibrium. Dengan kata lain, lapisan plasma luar yang cukup tipis dapat dianggap keseimbangan dengan radiasi dan karena itu memancarkan, serta menyerap energi dalam spektrum Planck. Itulah sebabnya saya sering menulis tentang keseimbangan termodinamika (kuasi) dari suatu permukaan dengan radiasi. Seseorang mungkin bertanya: mengapa lapisan tipis ini memancar di kedua arah untuk mendapatkan energi sebanyak yang diterimanya dari satu c ke satu? Apakah ada kontradiksi dengan hukum konservasi energi? Tidak ada kontradiksi, karena lapisan tipis ini juga menerima energi dari lapisan plasma berdekatan yang letaknya lebih dalam.


Seperti inilah bangunan NIF. Hampir semuanya diisi dengan laser

Dengan demikian, gambar peristiwa di ruang emas, yang ditarik oleh imajinasi ahli teori dari Livermore, tidak sesuai dengan kenyataan. Dari mana mereka mendapatkan bahwa dengan cara ini dimungkinkan untuk mengatur hohlraum sesuatu yang mirip dengan apa yang terjadi dalam bom termonuklir, di mana tidak berarti optik, tetapi foton sinar-X dari ledakan air tahap pertama yang kedua ?

Mereka mengambil ini dari percobaan yang sukses pada generasi sinar-X laser dalam kertas tipis yang diterangi oleh laser optik tugas berat, dan yang lain dari jenis ini, yang banyak dilakukan pada tahun 90-an. Tapi, ternyata, tidak ada radiasi benda hitam yang bersesuaian dengan suhu sekitar 100 juta K, dan plasma secara keseluruhan tidak memanas hingga mencapai suhu seperti itu. Dengan kata lain, proses-proses ini secara termodinamik tidak ada kalibrasi. Perlu dicatat bahwa energi laser, yang diamati dalam kasus ini, dapat diabaikan dibandingkan dengan energi pemanasan.

Itulah sebabnya, terlepas dari konsentrasi energi kolosal dan yang tampaknya cukup, fusi termonuklir "tidak terbakar", walaupun suatu reaksi memang terjadi (fusi pada prinsipnya mungkin terjadi bahkan pada suhu kamar, karena ekor distribusi Maxwell mendekati nol absolut, itu hanya mendeteksi reaksi ini tidak mungkin berhasil). Rupanya, menggunakan NIF, pada prinsipnya, tidak mungkin untuk mencapai pemanasan seragam kapsul ke suhu yang cukup tinggi, seperti halnya pada bom termonuklir.

Tetapi apa yang terjadi dalam kasus itu? Di mana energi sinar laser pergi, yang secara teoritis seharusnya memanaskan zat kapsul hingga 100 juta K? Dapat diasumsikan bahwa kapsul mengembang sebelum waktunya dan mencampurnya dengan plasma emas. Atau mencampur deuterium dan tritium dengan substansi kapsul. Akibatnya, bahkan jika suhu dalam hohlraum mencapai nilai yang diperlukan, tidak ada tekanan yang diperlukan untuk sintesis di zona reaksi. Tapi mungkin sesuatu yang lain lebih penting: keseimbangan termodinamika dinding ruangan dan permukaan kapsul dengan radiasi tidak tercapai, yang menyebabkan pemanasan yang tidak merata. Ledakan bola tidak bekerja!

Seperti yang dapat dilihat dari alasan sebelumnya, agar fusi termonuklir inersia berfungsi, perlu untuk menyinari kapsul dengan foton x-ray. Artinya, Anda perlu mereproduksi dalam miniatur. mekanisme ledakan radiasi yang digunakan dalam bom termonuklir. Sumber sinar-X intensitas yang memadai adalah laser sinar-X yang dipompa dengan ledakan nuklir. Karena foton dengan energi ~ 10 keV diperlukan, kekuatan ledakan pompa harus ratusan kiloton atau, mungkin, megaton. Tentu saja, gagasan untuk membakar sintesis dalam volume ~ 1 cc mm menggunakan ledakan dalam megaton adalah tidak masuk akal.

Hari ini, percobaan sedang dilakukan dengan laser x-ray elektron gratis. Untuk menghasilkan pada panjang gelombang 1 Angstrom, mereka harus digabungkan dengan akselerator elektron besar. Ini tidak kurang dari struktur cyclopean dari NIF. Tapi mungkin dengan cara ini akan berubah menjadi menyalakan bom termonuklir atau bintang miniatur - seperti yang Anda inginkan. Meskipun sinar-X sangat kurang tercermin, akan sangat sulit untuk memfokuskannya.

Komentar penutup.

1. Quasi-equilibrium adalah keadaan instan dari proses nonequilibrium, yang dapat dianggap sebagai keseimbangan dengan kesalahan yang dapat diabaikan.
2. Proposal untuk menggunakan laser sinar-X untuk memanaskan tablet termonuklir tidak bertentangan dengan pernyataan bahwa insiden radiasi pada dinding kapsul harus memiliki spektrum Planck. Ini akan memiliki sekitar spektrum seperti itu karena hamburan foton x-ray yang tidak elastis di dinding hohlraum.
3. Tentunya dalam alasan saya, Anda dapat menemukan banyak ketidakakuratan formal. Ini masih bukan artikel ilmiah, tetapi ilmiah populer. Tapi tetap saja, bagi saya esensi masalah NIF utama dalam artikel ini tercermin dengan benar.
4. Khususnya, jika NIF seharusnya menyinari kapsul tidak dengan sinar-X tetapi dengan sinar-X yang lembut (atau ultraviolet keras) foton pada suhu beberapa juta K (mis., Jauh dari 100), maka dalam kasus ini argumen di atas terhadap NIF tetap valid. Yaitu: spektrum emisi Planck dari dinding hohlraum dengan puncak ~ 1 KeV atau bahkan ~ 0,1 KeV tidak dapat terjadi dalam spektrum serapan laser dengan foton ~ 1 eV, jika terjadi keseimbangan termodinamika (kuasi). Jika tidak terjadi, maka ledakan simetris bola tidak mungkin terjadi.