NIF为什么不点燃？

这是hohlraum

美国劳伦斯·利弗莫尔实验室（Lawrence Livermore Laboratory）（美国）的独特的国家点火设施综合体“国家燃烧设备”提供了惯性热核聚变的实验。 这是世界上功能最强大的激光系统，并且是一个独特的实验室大楼。 与设备和技术解决方案相关的所有内容均应获得最高评分，并且非常昂贵。

应该发生热核微爆炸的地方称为德语单词hohlraum。 金色的小室，应利用壁发出的电磁能对热核片剂进行均匀加热。 具有相同名称和相同名称的类似物品带有“氢”炸弹。 光子的来源更大，光子的来源是一次核爆炸产生的X射线，它通过辐射通道（级间）穿透了大腔菌。

通过两个入口，金室的内部被192个紫外激光束照亮，总功率高达500太瓦。 在3到5纳秒内，在那里会收到2-4兆焦耳的能量，该能量必须在X射线范围内由壁重新辐射。 热核片剂包含温度为18 K的15微克的氘和,，以及注入内部腔室的气体。 该胶囊具有直径为2mm的球形壳。 其烧蚀涂层可以由铍制成或具有基于聚乙烯的复合结构。 它吸收高达100 KJ的能量，从而导致胶囊的辐射内爆。 物质的密度达到1000 g / cc，氘-filling填充物的温度升高到数亿度。 在那之后，她只剩下一件事了。 可以像热核炸弹一样爆炸，也可以像星星一样照亮。

计算出的微爆产量可达到20 MJ，相当于5千克TNT。 正式地，将进行有效的，受控的，惯性的，热核聚变。 实际上，考虑到激光系统的效率不超过1％，这样的技术不会导致实用的能源。 只需420 MJ即可为为激光放大器供电的电容器充电。 但是NIF的目标不是发电，而是基础科学。


但是，高能效反应，即“核燃烧”顽固地失败了。 虽然反应是必须的。 《纽约时报》于2012年10月6日发表了重要评论，指出NIF计划未实现其既定目标，而且也不可能实现 。 今天，我们已经可以得出结论，NIF的目标尚未实现。 无论利弗莫尔主义者会采取什么技巧，热核聚变都不会顽固燃烧！

可以假设为什么会这样。 仅在热力学平衡状态下才可能对胶囊进行球对称压缩。 在这种情况下，胶囊在每个点的表面温度是相同的，这提供了对称的消融。 假设hohlraume中的事件按照NIF项目的理论家的想象发生。

然后，在X射线辐照开始后不久（我们正在谈论几分之一纳秒），球形胶囊的表面加热到几千万K，并形成了一个超薄的等离子体层，该层与辐射处于（近似）平衡状态。 这意味着近表面等离子体层发射的电磁能量与接收的电磁能量大致相同，但也会向内部辐射。 后者导致胶囊的深度加热，并因此导致等离子体层的增厚。 当您离开外表面时，其温度会降低，直到向内的辐射可以忽略不计。 在这种情况下，向外辐射的强度与入射在胶囊上的辐射的强度相等，即与辐射强度相等。 平衡会来。 同时，等离子体层由于压力而膨胀，这是用于内爆的烧蚀过程中最重要的部分。

最重要的事实是，在消融过程中，胶囊表面与辐射处于热力学（准）平衡状态。 这使我们能够根据Stefan-Boltzmann定律估算一个完全黑体的辐射进入胶囊的能量：

$$

$$I = \ sigma T ^ 4$$

在哪里 $$$我$ -从表面或入射到加热到一定温度的表面的辐射强度（W / m2） $$$T$ 凯尔维诺夫 $$$\ sigma = 5.67 \ cdot 10 ^ {-8}$ -Stefan-Boltzmann常数（以SI表示）。

因此，入射在胶囊上的辐射具有与温度相对应的普朗克光谱 $$$T$ 胶囊表面。 这就是频谱的样子 $$$T = 8 \ cdot 10 ^ 7$ K在哪里 $$$N（E）$ -能量的光子分数 $$$E$ 每秒发射的光子总数（我们正在谈论的是能量中光子数的密度分布）。


在该光谱中，最高的光子通量密度由略高于10 KeV的能量所占，这对应于波长约为1埃的X射线辐射。 这是核弹爆炸过程中辐射扩散区中的典型辐射光谱（连锁反应开始后约0.5微秒，距零点约1米，仍然没有致盲闪光）。

但是，如此热的普朗克光谱的光子从哪里来，从外面给胶囊浇水呢？ 在激光束中，几乎没有这种光子。 它们是由巨型激光束加热的白炽壁发出的。 至少这就是NIF项目的理论家的想法。

但是，这里他们与hohlraum这个概念发生了冲突，因为 该术语表示内壁与辐射平衡的腔室。 但是入射到腔室壁上的较低的紫外线（基本上是光学的）激光辐射不能与遵守Stefan-Boltzmann定律的热辐射达到热力学平衡。

同时，具有温度的等离子体层 $$$T$ 接近1亿K。等离子体发出和吸收辐射，就像一个完全黑的身体。 因此，在腔室壁附近被等离子体层吸收的辐射在温度下具有普朗克光谱 $$$T$ 。 但这不是，仅仅是因为入射辐射是激光。 另外（这更重要！）-激光束中的光子中没有〜10 keV的能量。 从外面到达霍尔姆的光子的能量要少3到4,000倍。 因此，大梁的壁不能与辐射保持平衡。 但是，类似于上面对胶囊所述的方法，随着等离子体层的形成和加热，热力学（准）平衡将不可避免地达到。 有矛盾！

这里可能会引起一个合理的问题：一方面，我认为近表面等离子体层在热力学上是平衡的，另一方面，我确认其温度在深度上下降，这与我自相矛盾吗？ 不，我并不矛盾，因为我们正在谈论准平衡。 换句话说，足够薄的外部等离子体层可以被认为与辐射保持平衡，因此可以发射辐射，并吸收普朗克光谱中的能量。 这就是为什么我经常写关于辐射表面的热力学（准）平衡的原因。 有人可能会问：为什么这个薄层在两个方向上辐射的能量与从一个c到另一个接收的能量一样多？ 与能量守恒定律有矛盾吗？ 没有矛盾，因为 该薄层还从更深的相邻等离子体层接收能量。


这就是NIF建筑物的外观。 几乎所有的东西都充满了激光

因此，由利弗莫尔的理论家的想象力绘制的金屋事件的图片与现实不符。 他们是从何处获得的，可以在白炽灯中安排类似于热核炸弹中发生的事情，其中​​绝不是光学的，而是第一阶段爆炸产生的X射线光子在第二阶段注入水 ？

他们从成功的实验中汲取了经验，这些实验是在90年代进行的大量实验中完成的，该实验是在由重型光学激光照射的薄箔片上产生激光X射线的。 但是，显然没有对应于约1亿K的温度的黑体辐射，并且等离子体整体没有加热到这样的温度。 换句话说，这些过程是热力学上不平衡的。 值得注意的是，在这种情况下观察到的激光能量与加热能量相比可以忽略不计。

这就是为什么尽管集中了巨大且看似足够的能量，但热核聚变“不会燃烧”，尽管确实发生了反应（原则上即使在室温下也可能发生聚变，因为麦克斯韦分布的尾部接近绝对零，这仅仅是检测此反应不太可能成功）。 显然，原则上使用NIF不可能像热核炸弹那样将胶囊均匀加热到足够高的温度。

但是在那种情况下会发生什么呢？ 激光束的能量会流向何处，理论上应该将胶囊的物质加热到1亿K？ 可以假定该胶囊过早膨胀并将其与金血浆混合。 或将氘和tri与胶囊的物质混合。 结果，即使大锅内的温度达到期望值，也没有反应区中合成所需的压力。 但是也许还有其他更重要的事情：腔室壁和胶囊表面的热力学平衡无法达到辐射，这会导致加热不均匀。 球形内爆不起作用！

从先前的推理中可以看出，为了使惯性热核聚变起作用，必须用X射线光子照射胶囊。 也就是说，您需要以微型复制。 热核炸弹中使用的辐射内爆机制。 足够强度的X射线源是假设的核爆炸泵浦X射线激光器 。 由于需要能量为〜10 keV的光子，因此泵爆炸的功率应为数百千吨，甚至可能为百万吨。 当然，这个想法是在约1 cc的体积内点燃合成气体。 -使用百万吨级的爆炸是荒谬的。

今天，正在用自由电子X射线激光器进行实验。 为了产生1埃的波长，它们必须与大型电子加速器耦合。 这不亚于NIF的环戊结构。 但是也许以这种方式，它会像您喜欢的那样点燃热核炸弹或微型恒星。 尽管X射线的反射非常差，但是很难聚焦它们。

结束语。

1. 准平衡是非平衡过程的瞬时状态，可以认为是平衡且误差可忽略不计。
2. 使用X射线激光加热热核片剂的建议与入射在胶囊壁上的辐射应具有普朗克光谱的主张并不矛盾。 由于x射线光子在大梁壁上的非弹性散射，它将具有大约这样的光谱。
3. 在我的推理中，您肯定会发现许多形式上的错误。 这仍然不是一本科学的文章，而是一本通俗的科学文章。 但是，在我看来，本文中主要NIF问题的实质已得到正确反映。
4. 特别是，如果假设NIF不在数百万个K（即远离100）的温度下用X射线而不是软X射线（或硬紫外）光子照射胶囊，则在这种情况下，上述针对NIF的论点仍然有效。 即：如果发生热力学（准）平衡，则在〜1 eV的光子的激光吸收光谱中不会出现〜1 KeV甚至〜0.1 KeV的峰值的霍尔壁的普朗克发射光谱。 如果不发生，则不可能进行球对称内爆。