Por que o NIF não acende?

Isso é hohlraum

O exclusivo complexo National Ignition Facility - “National Incendiary Equipment” no Laboratório Lawrence Livermore (EUA) fornece experimentos com fusão termonuclear inercial. Este é o sistema laser mais poderoso do mundo e um complexo laboratorial exclusivo. Tudo relacionado a equipamentos e soluções técnicas merece as classificações mais altas e é muito caro.

O local onde a microexplosão termonuclear deve ocorrer é chamado de palavra alemã hohlraum. Uma câmara dourada, que deve fornecer aquecimento uniforme de um comprimido termonuclear com energia eletromagnética emitida pelas paredes. Algo semelhante com o mesmo nome e para o mesmo tem uma bomba de "hidrogênio". Apenas maior, e a fonte de fótons são os raios X da explosão nuclear primária, penetrando no hohlraum através de um canal de radiação (entre os estágios).

Através de duas entradas, o interior da câmara de ouro é iluminado por 192 raios laser ultravioleta com uma potência total de até 500 Terawatts. Dentro de 3 a 5 nanossegundos, 2 a 4 MJ de energia são recebidos lá, os quais devem ser irradiados pelas paredes na faixa de raios-X. Um comprimido termonuclear contém 15 microgramas de deutério e trítio a uma temperatura de 18 K, bem como gás injetado na cavidade interna. A cápsula tem uma casca esférica com um diâmetro de 2 mm. Seu revestimento ablativo pode ser feito de berílio ou possui uma estrutura composta à base de polietileno. Ele absorve até 100 KJ de energia, resultando em implosão de radiação da cápsula. A densidade da substância atinge 1000 g / cc e a temperatura do enchimento de deutério-trítio sobe para centenas de milhões de graus. Depois disso, ela só tem mais uma coisa. Explodir como uma bomba termonuclear ou acender como uma estrela - como quiser.

O rendimento calculado da microexplosão pode atingir 20 MJ, o que equivale a 5 kg de TNT. Formalmente, haverá fusão termonuclear eficaz, controlada, inercial. De fato, levando em consideração a eficiência do sistema a laser não mais que 1%, essa tecnologia não levará a uma fonte prática de energia. Apenas 420 MJ são necessários para carregar capacitores que fornecem amplificadores a laser. Mas o objetivo da NIF não é geração de energia, mas ciência fundamental.


No entanto, uma reação de eficiência energética, ou seja, "queima termonuclear" falha teimosamente. Embora a reação seja o lugar para estar. O New York Times publicou em 6 de outubro de 2012 uma nota crítica afirmando que o programa NIF não alcançou seus objetivos declarados e não é um fato que jamais alcançará . Hoje já podemos concluir que os objetivos do NIF não foram alcançados. A fusão termonuclear não queima teimosamente, não importando quais truques os Livermoreitas usariam!

Pode-se supor por que isso aconteceu. A compressão esférica simétrica da cápsula é possível apenas em um estado de equilíbrio termodinâmico. Nesse caso, a temperatura da superfície da cápsula em cada ponto é a mesma, o que fornece ablação simétrica. Suponha que eventos em hohlraume ocorram como os teóricos do projeto da NIF imaginavam.

Então, logo após o início da irradiação de raios-X (estamos falando de frações de nanossegundo), a superfície da cápsula esférica esquenta até dezenas de milhões de K e uma camada de plasma ultrafino é formada, que está em (quase) equilíbrio com a radiação. Isso significa que a camada de plasma próximo da superfície emite aproximadamente a mesma quantidade de energia eletromagnética que recebe, mas também a irradia para dentro. Este último leva ao aquecimento da cápsula em profundidade e, consequentemente, a um espessamento da camada plasmática. À medida que você se afasta da superfície externa, sua temperatura diminui até que a radiação interna se torne insignificante. Neste caso, a radiação para o exterior é igual em intensidade com o incidente de radiação na cápsula, isto é, o equilíbrio virá. Ao mesmo tempo, a camada plasmática se expande devido à pressão, que é a parte mais importante do processo de ablação para implosão.

Fundamentalmente importante é o fato de que durante o processo de ablação, a superfície da cápsula está em equilíbrio termodinâmico (quase) com radiação. Isso nos permite estimar a quantidade de energia que entra na cápsula usando a lei de Stefan-Boltzmann para a radiação de um corpo completamente preto:

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

onde $$$I$- intensidade de radiação (W / m²) da superfície ou incidente na superfície aquecida a uma temperatura $$$T$Kelvinov $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {- 8}$- constante de Stefan-Boltzmann (em SI).

Daqui resulta que o incidente de radiação na cápsula tem um espectro de Planck correspondente à temperatura $$$T$superfície da cápsula. É assim que o espectro se parece quando $$$T = 8 \ cdot 10 ^ 7$K onde $$$N (E)$- fração de fótons com energia $$$E$no número total de fótons emitidos por segundo (estamos falando da distribuição de densidade do número de fótons por energia).


Nesse espectro, a maior densidade de fluxo de fótons é explicada pela energia ligeiramente acima de 10 KeV, que corresponde à radiação de raios-x com um comprimento de onda de cerca de 1 Angstrom. Este é um espectro típico de radiação na zona de difusão de radiação durante a explosão de uma bomba nuclear (cerca de 0,5 microssegundos após o início de uma reação em cadeia, a cerca de um metro do ponto zero, ainda não há flash ofuscante).

Mas de onde vêm os fótons de um espectro de Planck tão quente, molhando a cápsula do lado de fora? Nos raios laser, quase não existem fótons. Eles são emitidos por paredes hohlraum aquecidas por raios mega-laser. Pelo menos é o que pensavam os teóricos do projeto NIF.

No entanto, aqui eles entraram em conflito com o próprio conceito de hohlraum, porque este termo significa uma câmara cujas paredes internas estão em equilíbrio com a radiação. Mas a radiação laser ultravioleta (essencialmente ótica) mais baixa nas paredes da câmara não pode estar em equilíbrio termodinâmico com a radiação térmica que obedece à lei de Stefan-Boltzmann.

Ao mesmo tempo, uma camada de plasma com temperatura $$$T$perto de 100 milhões de K. O plasma emite e absorve radiação, como um corpo completamente preto. Portanto, a radiação absorvida pela camada de plasma próxima às paredes da câmara possui o espectro de Planck à temperatura $$$T$. Mas não é assim, apenas porque a radiação incidente é laser. Além disso (e isso é mais importante!) - entre os fótons nos raios laser, não há energias de ~ 10 keV. A energia dos fótons que chegam ao hohlraum de fora é de 3 a 4.000 vezes menos. Portanto, as paredes de Hohlraum não podem estar em equilíbrio com a radiação. Mas o equilíbrio termodinâmico (quase) virá inevitavelmente à medida que a camada de plasma for formada e aquecida, semelhante à maneira descrita acima para a cápsula. Existe uma contradição!

Uma pergunta razoável pode surgir aqui: não estou me contradizendo quando, por um lado, considero a camada de plasma próxima à superfície equilibrada termodinamicamente e, por outro, afirmo que sua temperatura cai profundamente. Não, eu não contradiz, porque estamos falando de quase-equilíbrio. Em outras palavras, uma camada externa de plasma suficientemente fina pode ser considerada equilíbrio com radiação e, portanto, emitindo, além de absorver energia no espectro de Planck. É por isso que escrevo frequentemente sobre o equilíbrio termodinâmico (quase) de uma superfície com radiação. Alguém pode perguntar: por que essa fina camada irradia nas duas direções para tanta energia quanto recebe de um c para um? Existe uma contradição com a lei de conservação de energia? Não há contradição, porque essa fina camada também recebe energia de uma camada adjacente de plasma, mais profunda.


É assim que o edifício do NIF se parece. Quase tudo é preenchido com um laser

Assim, a imagem dos eventos na câmara de ouro, desenhada pela imaginação dos teóricos de Livermore, não corresponde à realidade. Onde eles conseguiram isso dessa maneira, é possível organizar em hohlraum algo semelhante ao que acontece em uma bomba termonuclear, onde de modo algum óptico, mas fótons de raios-X da explosão do primeiro estágio molham o segundo ?

Eles tiraram isso de experimentos bem-sucedidos na geração de raios-X a laser em uma película fina iluminada por um laser óptico para serviço pesado, e outros desse tipo, que foram realizados muito nos anos 90. Mas, aparentemente, não havia radiação no corpo negro correspondente a uma temperatura de cerca de 100 milhões de K, e o plasma como um todo não aqueceu a essa temperatura. Em outras palavras, esses processos eram termodinamicamente sem equilíbrio. Vale ressaltar que a energia do laser, observada neste caso, era insignificante em comparação à energia de aquecimento.

É por isso que, apesar da concentração de energia colossal e aparentemente suficiente, a fusão termonuclear "não queima", embora uma reação ocorra (a fusão em princípio é possível mesmo à temperatura ambiente, porque a cauda da distribuição Maxwell se aproxima do zero absoluto, isso é apenas detectar que essa reação provavelmente não será bem-sucedida). Aparentemente, usando o NIF, em princípio, é impossível conseguir um aquecimento uniforme da cápsula a uma temperatura suficientemente alta, como é o caso de uma bomba termonuclear.

Mas o que acontece nesse caso? Para onde vai a energia dos raios laser, que teoricamente deveria ter aquecido a substância da cápsula para 100 milhões de K? Pode-se supor que a cápsula se expanda prematuramente e a misture com plasma de ouro. Ou misturando deutério e trítio com a substância da cápsula. Como resultado, mesmo que a temperatura em hohlraum atinja os valores desejados, a pressão necessária para a síntese na zona de reação está ausente. Mas talvez algo mais seja mais importante: o equilíbrio termodinâmico das paredes da câmara e da superfície da cápsula com radiação não é alcançado, o que leva a um aquecimento desigual. A implosão esférica não funciona!

Como pode ser visto no raciocínio anterior, para que a fusão termonuclear inercial funcione, é necessário irradiar a cápsula com fótons de raios-X. Ou seja, você precisa reproduzir em miniatura. mecanismo de implosão de radiação usado em uma bomba termonuclear. Uma fonte de raios X de intensidade suficiente é um hipotético laser de raios X bombeado por explosão nuclear. Como são necessários fótons com energia de ~ 10 keV, a potência da explosão da bomba deve ser centenas de quilotons ou, possivelmente, megatons. Obviamente, a idéia é incendiar a síntese em um volume de ~ 1 cc. mm usando uma explosão em megaton é um absurdo.

Hoje, experimentos estão sendo realizados com lasers de raios-x de elétrons gratuitos. Para gerar no comprimento de onda de 1 Angstrom, eles devem ser acoplados a grandes aceleradores de elétrons. Essa estrutura não é menos ciclópica que a NIF. Mas talvez dessa maneira acenda uma bomba termonuclear ou uma estrela em miniatura - como você quiser. Embora os raios X sejam muito pouco refletidos, será muito difícil focalizá-los.

Observações finais.

1. Quase-equilíbrio é o estado instantâneo de um processo de não-equilíbrio, que pode ser considerado equilíbrio com um erro insignificante.
2. A proposta de usar um laser de raios X para aquecer um comprimido termonuclear não contradiz a afirmação de que o incidente de radiação nas paredes da cápsula deve ter o espectro de Planck. Ele terá aproximadamente esse espectro devido à dispersão inelástica de fótons de raios X nas paredes de Hohlraum.
3. Certamente, no meu raciocínio, você pode encontrar muitas imprecisões formais. Ainda não é um artigo científico, mas um artigo científico popular. Ainda assim, parece-me que a essência do principal problema do NIF neste artigo está refletida corretamente.
4. Em particular, se o NIF deve irradiar a cápsula não com raios-X, mas com fótons de raios-X moles (ou ultravioleta duro) a uma temperatura de vários milhões de K (ou seja, longe de 100), nesse caso, os argumentos acima contra o NIF permanecem válidos. Ou seja: o espectro de emissão de Planck das paredes de hohlraum com um pico de ~ 1 KeV ou mesmo ~ 0,1 KeV não pode ocorrer no espectro de absorção a laser com fótons de ~ 1 eV, se ocorrer um equilíbrio termodinâmico (quase). Se isso não ocorrer, a implosão esférica simétrica é impossível.