В Сарове смонтирована камера установки для лазерного термоядерного синтеза

Специалисты РФЯЦ-ВНИИЭФ завершили важный этап создания самой мощной в мире установки для экспериментов по управляемому лазерному термоядерному синтезу.

В апреле 2019 года специалисты Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в Сарове завершили важный этап создания самой мощной в мире установки для экспериментов по управляемому лазерному термоядерному синтезу УФЛ-2М. Они собрали и перенесли в основное здание центральный элемент установки — камеру взаимодействия. В ней лазерные импульсы будут воздействовать на мишень, порождая термоядерную реакцию.

Камера взаимодействия установки УФЛ-2М, где будет протекать термоядерная реакция. На её поверхности видны порты для лазерного излучения и различного оборудования. Фото: РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Здание для размещения установки УФЛ-2М. Фото: РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Сборка камеры взаимодействия. Фото: РФЯЦ-ВНИИЭФ.

Камера взаимодействия представляет собой сферу из алюминиевого сплава диаметром 10 м с толщиной стенки 10 см. Масса этой грандиозной конструкции около 120 тонн. На поверхности камеры размещены более 100 портов различного назначения. Через один из них внутрь камеры на специальном держателе установят мишень, а через другие туда попадут лучи лазеров. Некоторые порты служат для установки необходимых технологических систем и диагностического измерительного оборудования. Сложность работы заключалась в необходимости обеспечить высокую точность монтажа: максимальное отличие формы камеры от сферы составляет менее 5 мм, а оси всех портов отклоняются от центра камеры менее чем на 1 мм. Твёрдотельный лазер на неодимовом стекле имеет размер пучка 400x400 мм2 и работает на длине волны 0,53 мкм. В завершённом состоянии он будет иметь 192 лазерных канала, то есть сможет создавать 192 лазерных луча, что необходимо для одинакового облучения мишени со всех сторон.

«До сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень, — отметил директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ академик Сергей Григорьевич Гаранин. — Основная проблема в том, что маленькое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей (100 граммов в кубическом сантиметре. — Прим. ред.). Поэтому оболочка должна двигаться сферически симметрично, отклонения от сферического сжатия недопустимы. Эксперименты, которые были проведены на установке NIF в США, показали, что система не может обеспечить необходимую однородность облучения центральной капсулы. Наша система облучения иная, она уже практически сферически симметрична. Имея предыдущий опыт экспериментов, у нас есть все шансы добиться желаемого (зажигания термоядерных реакций в мишенях) первыми в мире».

Сборка камеры взаимодействия продолжалась 14 месяцев. Монтаж проводился в специальном корпусе, возведённом непосредственно рядом с местом строительства здания, где она затем должна быть установлена. Здание же для размещения всей установки УФЛ-2М возводилось параллельно начиная с 2015 года. Операция переноса готовой камеры взаимодействия заняла около месяца. При этом потребовался специальный грузоподъёмный кран, а крыши основного и вспомогательного зданий пришлось разобрать.

Размер здания, возведённого для установки УФЛ-2М, потрясает воображение. Длина лазерного зала 130 м, а ширина — около 70 м, что сопоставимо с размером футбольного поля. Длина же всего здания — более 300 м, а высота достигает 32 м — выше десятиэтажного дома.

Ожидается, что на момент пуска российская установка станет рекордсменом среди введённых и планируемых в ближайшем будущем к строительству подобных лазерных систем. В ней к мишени будет подводиться 2,8 МДж энергии, что в полтора раза больше, чем у крупнейших аналогичных зарубежных установок — NIF в США (1,8 МДж) и LMJ во Франции (2 МДж). На выходе же лазерной системы УФЛ-2М выдаст 4,6 МДж.

Термоядерный синтез заключается в слиянии лёгких ядер, в первую очередь водорода, при очень высоких температурах и давлении. Образовавшиеся в результате синтеза более тяжёлые элементы имеют чуть меньшую массу. Эта разница, получившая название дефекта массы, выделяется в виде огромного количества энергии. Термоядерная энергетика чрезвычайно привлекательна, поскольку водорода на Земле много, энергетический выход реакции велик, а радиоактивные отходы отсутствуют. Водород превращается в безвредный инертный газ — гелий. Но на пути к практическому получению этой энергии существует серьёзная проблема: удержание горячей плазмы в течение достаточно длительного времени, чтобы в ходе термоядерной реакции выделилось энергии больше, чем было затрачено.

Идею лазерного термоядерного синтеза предложили в начале 1960-х годов, почти сразу после изобретения лазера, советские физики Андрей Дмитриевич Сахаров, Николай Геннадиевич Басов и Олег Николаевич Крохин, которые поняли, что запустить термоядерную реакцию можно с помощью мощного лазерного импульса, позволяющего сфокусировать огромную энергию в малом объёме. Суть метода в том, что лазерное излучение нагревает и испаряет вещество на поверхности сферической мишени, содержащей термоядерное топливо (газообразная смесь дейтерия и трития или только дейтерий). Разлетающийся во все стороны пар по закону сохранения импульса толкнёт центральную часть мишени к центру, сжимая и нагревая её до необходимых для термоядерной реакции значений. Благодаря инерции вещества оно разлетится не сразу, обеспечивая достаточное время для протекания реакции. Поэтому подобные установки термоядерного синтеза называются системами с инерциальным удержанием плазмы.

Современные мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку диаметром от 200 до 1000 мкм с толщиной стенки 0,5—15 мкм, давление водорода внутри оболочки 1—100 атм. На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие.

Исследование систем управляемого лазерного термоядерного синтеза в РФЯЦ-ВНИИЭФ началось в 1972 году. (Подробнее об этом можно прочитать в статье «Ядерный синтез в лазерной искре», «Наука и жизнь» № 2, 2003 г.) Накопленный опыт позволил специалистам центра в 1996 году предложить проект уникальной установки УФЛ-2М, создание которой сейчас вступило в завершающую стадию.

В настоящее время идут испытания систем первого модуля установки. Ожидается, что его запуск произойдёт в конце 2019 года. Ввод же в эксплуатацию первой очереди лазерной установки запланирован на 2022 год.

По материалам РФЯЦ-ВНИИЭФ.

 

Случайная статья

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки