Самая мощная лазерная установка в мире как саровская сфера может осуществить мечту уч ных

Лазерную установку термоядерного синтеза

В Сарове установили лазерную термоядерную установку

На прошлой неделе в Сарове был завершен финальный этап монтажа лазерной термоядерной установки. С ее помощью планируют проводить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу. Впервые идея создания такой установки была предложена в 1950-х академиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.

Работает такая установка следующим образом: сферическую капсулу заполняют смесью дейтерия и трития, потом на поверхность ее посылают мощный лазерный импульс. Под действием импульса часть капсулы превращается в пар, создается абляционное давление, которое разгоняет сферический поршень до очень высоких скоростей. Далее выполняется симметричное сжатие смеси до необходимых для проведения термоядерной реакции параметров.

Стоимость самой мощной в мире лазерной установки двойного назначения оценивается примерно в 45 млрд. рублей. В настоящее время подобная лазерная установка есть у США и во Франции. В свою очередь российская установка превзойдет иностранные аналоги и будет самой мощной в мире. Мощность установки составит порядка 2,8 МДж, в то время как мощности упомянутых выше американской и французской лазерных установок не превышают 2 МДж.

Лазерная установка будет двойного назначения. С одной стороны это будет оборонная составляющая, так как физика плотной горячей плазмы, физика высоких плотностей энергии в настоящее время наиболее плотно изучается на подобного рода установках. Эти эксперименты могут быть направлены на создание термоядерного оружия. С другой стороны – это энергетическая составляющая. В настоящее время физики во всем мире высказывают идеи о том, что лазерный термоядерный синтез может пригодиться им для разработки энергии будущего.

На полную мощность сверхмощную лазерную установку под индексом УФЛ-2м планируется запустить в 2020 году. Лазерная установка будет включать в себя 192 лазерных канала, а ее размеры будут по площади соизмеримы с двумя футбольными полями. На данном уникальном объекте планируется проводить фундаментальные исследования по изучению высокотемпературной плотной плазмы.

За последние 40 лет в Сарове была создана очень мощная база по разработке лазеров различной мощности. Направление по производству лазеров является профильным для всего Саровского технопарка, на территории которого уже развернули свою деятельность более 30 компаний-резидентов.

В то же время лазерная установка УФЛ-2м действительно будет использоваться для создания термоядерной реакции. Еще в 1963 году советский ученый-физик, академик Николай Басов и Олег Крохин предложили с помощью лазерной установки зажечь термоядерную мишень и на этой основе провести термоядерное зажигание, а в будущем создать термоядерную электростанцию. Эта схема была отлична от той, которая предлагалась ранее и была связана с магнитным удержанием. В настоящее время на основе данного принципа во французском городе Кадараш строится установка ИТЕР, являющаяся совместным международный проектом ряда стран.

Строящаяся в России лазерная установка позволит использовать так называемый инерционный режим, при котором термоядерное горючее зажигается не за счет того факта, что оно долгое время находится в горячем состоянии, а вещество остается не очень плотным, а наоборот – происходит сжатие термоядерной смеси до очень высокой температуры и плотности. При этом сам этот процесс протекает очень короткое время. Отличие в том, что в этом случае осуществляется небольшой управляемый микровзрыв.

Сверхмощная лазерная установка может понадобиться и для других целей, в частности с ее помощью можно будет приблизиться к характеристикам, до которых вещество может сжиматься и нагреваться в звездах, к примеру, как на Солнце. Именно по этой причине исследования в области высокотемпературной плазмы, могут быть применены в интересах астрофизики – для исследования астрофизической плазмы. Часто человечество сталкивается с тем, что мы не до конца знаем и понимаем фундаментальные свойства вещества, особенно при высоком давлении и плотности. К примеру, уравнение состояний. Для решения этих проблем делаются специальные мишени, при помощи которых с помощью лазерных установок проводятся подобные исследования. Существует и много других областей применения сверхмощного лазера, которые представляют интерес для ученых всего мира.

Предполагается, что постройка сверхмощного лазера УФЛ-2м может помочь в разработке термоядерного реактора. Если обратиться к истории, то можно отметить, что практически одновременно с разработкой атомного оружия была создана и первая АЭС. В свое время отцы-основатели, получив зажигание на полигоне, то есть, реализовав на практике термоядерный взрыв, надеялись на то, что достаточно быстро будет разработан и термоядерный реактор. Именно тогда появилось предложение Андрея Сахарова о том, что для удержания плазмы можно использовать термоизоляцию магнитным полем плазмы. Однако с 1950-х годов прошло уже более полувека, а человечество так и не имеет термоядерного реактора. Выяснилось, что его создание это очень трудная проблема, так как плазма – вещь достаточно неустойчивая и обладающая рядом различных особенностей.

Фундаментальные исследования по вопросу создания термоядерного реактора ведутся до сих пор, поэтому нельзя ничего сказать о сроках реализации данного проекта. В то же время, если на американской или на новой российской установке удастся провести зажигание термоядерного горючего, то после этого практически мгновенно будет начата работа по созданию термоядерного реактора.

Используемый на российской установке лазер, как и его американский аналог, будет импульсным. При этом необходимо будет решить не только саму проблему зажигания термоядерного горючего, но и значительно развить лазерные технологии, для того чтобы на практике получить так называемый импульсно-периодический лазер. Для того чтобы получать электрическую энергию от подобных установок, необходимо чтобы лазер мог стрелять с частотой примерно в 10 выстр/мин. В настоящее время таких лазеров просто нет. Но именно развитие лазерных технологий, которые будут реализованы при разработке новой российской установки, будет способствовать тому, что возникнут новые подходы, новые материалы в разработке лазеров. В мире уже делаются первые шаги в этом направлении. Уже существуют импульсные периодические системы достаточной мощности, но требуется еще время, для того чтобы были созданы новые лазерные среды, новые материалы.

Читайте также:  Перелом шейки плеча у престарелых людей

При этом российская установка может дополнить те знания, которые будут получены в процессе реализации международного проекта по созданию термоядерного реактора в Карадаше. Хотя принципы используемых установок различны, процессы зажигания все равно схожи. Исследования и материалы, которые будут получены на двух этих установках, смогут дополнять друг друга.

Источник

Самая мощная лазерная установка в мире: как саровская сфера может осуществить мечту учёных

Владимир Путин прибыл в Саров. Там он посетит Российский федеральный ядерный центр, где ознакомится с его разработками и осмотрит лазерный полигон центра. Установка, которую осмотрит президент, – уникальный объект. Ее собрали полтора года назад, и на ней проводят эксперименты по термоядерному синтезу. Все процессы протекают в десятиметровой сферической камере, вес которой достигает 120 тонн. В этом устройстве впервые удалось зажечь термоядерную мишень в лабораторных условиях. Подробности – в материале корреспондента “Вестей FM» Сергея Гололобова.

Управляемый термоядерный синтез – пока несбыточная мечта ученых всего мира. Казалось бы, теоретически всё просто. Атомы легкодоступного водорода (точнее, его изотопы – дейтерий и тритий) соединяются в более тяжелый атом гелия. При этом высвобождается колоссальная энергия – гораздо больше, чем в классической ядерной энергетике. Там, наоборот, тяжелые ядра урана разбиваются на более мелкие изотопы, пояснил телеканалу “Россия-24” замдиректора Института лазерно-физических исследований Российского федерального ядерного центра Сергей Бельков.

БЕЛЬКОВ: Миллиграмм термоядерного топлива эквивалентен сжиганию 7 тонн угля. Если удастся осуществить термоядерную реакцию в контролируемых условиях, то это позволит нам получить практически неограниченный источник, который равномерно распределён по Земле.

Термоядерная реакция происходит на Солнце. Но для того чтобы провести её на Земле, нужны солнечные температуры в миллионы градусов и сверхвысокое давление. Традиционными способами добиться этого невозможно. Только термоядерным взрывом. Проблема в том, что управлять им невозможно. Но в 50-х годах прошлого века академики Андрей Сахаров и Игорь Тамм выдвинули оригинальную концепцию магнитной термоизоляции и удержания плазмы. Изобретение лазера перевело эти идеи из теории в практику. Он позволяет фокусировать в малых объемах колоссальные плотности энергии. А точнее, зажечь термоядерную мишень можно с помощью мощного лазерного импульса. Весь этот процесс лучше проводить в сферической капсуле, которую и построили в Сарове, в Российском федеральном ядерном центре. Центральный элемент установки – сферическая камера взаимодействия. Именно в ней лазерные лучи будут бить в дейтериево-тритиевую мишень, рассказал генеральный конструктор по лазерным системам Российского федерального ядерного центра Сергей Гаранин.

ГАРАНИН: Здесь будут лазерные модули стоять. Вот это такие лазерные нитки. И все лазерные пучки будут сходиться в центре камеры.

Саровская сфера – самая мощная лазерная установка в мире. Она и должна обеспечить необходимые температуру и давление для начала управляемого термоядерного синтеза. Сложнейшее устройство. Диаметр – 10 метров, вес – около 120 тонн. На ее поверхности находятся 100 равномерно расположенных портов. Через них и будут заходить лазерные лучи внутрь сферы. Толщина стенок – 10 сантиметров. Материал – алюминий. На сварку и сборку установки рабочим понадобилось 14 месяцев, рассказал каналу “Страна Росатом-ТВ” Сергей Бельков.

БЕЛЬКОВ: Такая установка имела бы размеры в районе километра. Но применена специальная схема усиления, которая позволила в 4 раза сократить длину лазерного канала.

Саму сферу разместили в центре гигантского здания. Такие размеры нужны для усиления лазерных импульсов больших энергий. Они будут разгоняться по специальным магистралям, словно гоночные автомобили по трассе, отметил Сергей Гаранин.

ГАРАНИН: Чтобы вы понимали, какова точность: импульс, прежде чем попасть в камеру взаимодействия, “пробегает” 500 метров. А он будет разгоняться более 10 тысяч раз. Ось этого лазерного импульса должна попасть в мишень, толщина которого меньше человеческого волоса.

Лазерными импульсами управляет сложнейшая оптика – инновационные технологии, созданные специально под этот проект. 95% оборудования – отечественного производства, добавил Сергей Гаранин.

ГАРАНИН: Если взять все активные элементы, которые стоят в лазерных усилителях, и выложить на поле вместе с оптическими элементами, вот просто по площади разложить, они займут практически целое футбольное поле. Представляете, когда мы выставили требования на обработку оптических деталей, оказалось, что они были гораздо выше, чем ГОСТы.

Подобные опыты ведут в нескольких странах, в том числе в США. Но до сих пор никто в мире не смог зажечь термоядерную мишень. Основная проблема в том, что маленькое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей. Но наша установка почти в 2 раза мощнее тех, на которых уже проводились эксперименты.

Источник

В России зажигают рукотворное Солнце

В ядерном центре в Сарове запустили первый модуль самой мощной в мире лазерной установки, предназначенной для зажигания управляемой термоядерной реакции. Это путь к получению практически неограниченного количества энергии – той же, что даёт нам Солнце.

Читайте также:  Рулевое управление трактора МТЗ 82

До Солнца ещё далеко. Но! Первый модуль лазерной установки, предназначенной для «поджигания» термоядерной реакции, запущен в Российском федеральном ядерном центре – ВНИИЭФ в городе Сарове.

Об этом сообщил заместитель директора ВНИИЭФ по лазерным системам, он же генеральный конструктор академик Сергей Гаранин, выступая перед учёным ареопагом страны на научной сессии общего собрания Российской академии наук.

Два пути к термоядерному синтезу

Что такое термоядерный синтез? Его мы видим ежедневно, когда нет туч. Когда они есть, мы его не видим, но чувствуем: планета Земля со всем её человеческим лишайником на поверхности получает свет и тепло. А также ряд полезных и не очень излучений. Всё это даёт термоядерный реактор под названием Солнце.

Процесс в нём происходит простой: в условиях огромной плотности из ядер водорода синтезируются ядра гелия. Каковой процесс и рождает много фактически дармовой энергии. В принципе, человечество это делать тоже умеет. Высшей планкой пока является энергия в 58,6 мегатонны, полученная в результате взрыва советской термоядерной «Царь-бомбы» в 1961 году. Но если не иметь в виду высокой поэзии с рифмованием слова «мегатонн» с городом Вашингтон, то существует проблема с тем, что контролировать эту энергию люди пока не научились. Слишком горячая получается плазма – никакие стенки ни из какого земного материала не удержат плазму с температурой в десятки миллионов градусов.

Отсюда наметились два пути получения управляемой термоядерной реакции. Один из них – удержание плазмы в сильном магнитном поле. По сути, тот же взрыв «Царь-бомбы», которому не дают распространиться. Эта технология разработана достаточно давно: ещё в 1968 году в Курчатовском институте был создан первый в мире токамак – «тороидальная камера магнитная». Принцип работы простой: в пустотелый «бублик», из которого откачан воздух, подаётся смесь изотопов водорода дейтерия и трития, а в обмотанные вокруг «бублика» провода – электрический ток. Он одновременно и зажигает плазму, и удерживает её.

За этой, однако, внешней простотой сокрыты многие печали. Настолько печальные, что целых 7 первых экономик мира, а также Казахстан аж 20 лет строят и всё никак не достроят во Франции первый экспериментальный термоядерный реактор ITER, где реакция могла бы поддерживаться дольше нескольких секунд, как в токамаках. И чтобы энергии на выходе получалось больше, нежели реактор потребляет.

Второй способ получения управляемого термояда основывается на создании громадных энергий в точечном (относительно) объёме при помощи сверхмощных лазерных лучей. В капсулу помещается та же дейтерий-тритиевая смесь, которая облучается высокоэнергетическими лазерными лучами со всех сторон. Смесь зажигается, горячие ядра дейтерия и трития сливаются, образуя ядра гелия и высокоэнергетические нейтроны. Идёт самоподдерживающаяся реакция.

Печали? Ну тоже, разумеется, есть. Научные, технологические и экономические. Надо как-то разрешить противоречие: чтобы реакция была эффективной, плазма должна быть как можно более плотной; но от плотного плазменного ядра длинноволновое излучение лазера отражается, а при уменьшении длины волны ниже 300 нанометров перестаёт действовать та лазерная оптика, которая и формирует собственно лучи. Ещё бы, когда это уже диапазон рентгеновских лучей! И вот учёные и технологи как раз и занимаются тем, чтобы как-то обойти эту проблему так называемой неустойчивости Рэлея – Тейлора в результате перепада плотности между уже нагретой лазером плазменной короной и холодным дейтерий-тритиевым ядром, до которого луч добраться не может.

Решение проблем – в поисках решения проблем

Важный шаг к окончательному овладению лазерным термоядерным синтезом (ЛТС) и был сделан в Сарове, где запустили первый модуль ядерной установки УФЛ-2М.

Если опять же предельно просто описать её, то это сфера со 192 каналами для лазерных лучей с единой системой накачки, которые должны облучать термоядерную мишень со всех сторон. Энергия лазерного излучения – 300 кДж на длине волны 351 нм (то есть, как видим, относительно близко к «плохому» пределу). Длительность лазерного импульса 1-3 наносекунды, по принципу больше энергии в кратчайшее время.

Установка нацелена на исследования в области физики высоких плотностей энергии, горячей и плотной плазмы. В прессе любят сообщать о циклопических размерах комплекса, где всё это творится, – три футбольных поля по площади и с 10-этажный дом в высоту, но это не главное. Главное – что внутри этого монстра можно будет получить в малом объёме то же, что творится внутри звёзд, в том числе нашего Солнца. То есть воссоздать этакое маленькое Солнышко, чтобы точнее понять, а затем и самим воспроизвести творящееся в нём термоядерное чудо.

Это же касается, впрочем, и термоядерной реакции, происходящей внутри ядерного взрыва. По международным обязательствам, Россия не может проводить испытания соответствующих устройств. А тем более новых и перспективных. А таковые необходимы, если только мы не хотим, чтобы уже явственно свихнувшийся Запад от языка санкций с нами перешёл на язык прямых вооружённых действий. Вот для этого – для, как отметил академик Гаранин, моделирования и проектирования новых видов российского ядерного оружия – также незаменима установка УФЛ-2М.

На данный момент, по его словам, «изготовлены и введены в эксплуатацию все системы, которые будут обеспечивать работу всех каналов лазерной установки, и запущен первый модуль — 8 каналов лазерной установки». Исследования на нём начнутся уже в новом году.

Читайте также:  Электрическая каменка ЭКМ 3 нерж

Это, правда, позже, чем планировалось изначально: в нынешние сроки предполагалось запустить лазерную установку на полную мощность. Но всё можно понять: стоимость её (озвученная) составляет 45 млрд рублей, а такая сумма, естественно, весьма чувствительна, если так можно выразиться, к кризисам и финансовым ямам. И это, кстати, не только наша проблема.

В своё время Конгресс США сильно озаботился тем, что 5 млрд долларов, потраченных на получение термоядерной реакции в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций NIF (National Ignition Facility), ушли в никуда. Хотели даже прикрыть финансирование, хотя в 2013 году на установке NIF всё же была зажжена реакция, в ходе которой впервые в мире было выделено больше энергии, нежели затрачено. Впрочем, демарш этот, конечно, ни к чему не привёл – у них, как и у нас, в соответствующих экспериментах очень заинтересованы военные…

Кстати, NIF – почти копия нашей УФЛ-2М. Те же 192 лазера высокой мощности, лучи которых точно так же фокусируются на капельке – размером меньше спичечной головки – из дейтерия и трития. Правда, наша установка будет помощнее – у нас к мишени должно подводиться в полтора раза больше энергии, чем у них. Кстати, комплекс этот потребляет 15 МВт электроэнергии, из которых 11 МВт уходят на зарядку энергетических накопителей.

Словом, посмотрим. Ждать осталось не очень долго. Во всяком случае, академик Гаранин заверил коллег, что у специалистов РФЯЦ-ВНИИЭФ есть все шансы первыми в мире добиться желаемого зажигания термоядерных реакций в мишенях. Ну и можно вспомнить слова экс-руководителя Росатома Сергея Кириенко:

Атомная отрасль России способна решить новые масштабные задачи, с которыми не справится никто в мире.

Источник



В Сарове запустили самую мощную в мире лазерную установку

Первый модуль самой мощной в мире лазерной установки УФЛ-2М, необходимой для проведения экспериментов по так называемому управляемому инерциальному термоядерному синтезу и исследований свойств вещества в экстремальных состояниях — при сверхвысоких давлениях и температурах, к настоящему времени был запущен в Российском федеральном ядерном центре — Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ, Саров, Нижегородская область).
Об этом сообщил заместитель директора по лазерным системам ВНИИЭФ академик Сергей Гаранин, выступивший во вторник в формате видеоконференции на научной сессии Общего собрания Российской академии наук, посвященной 75-летию атомной отрасли РФ. Гаранин рассказал о ходе строительства установки УФЛ-2М.

«Изготовлены и в настоящее время введены в эксплуатацию все системы, которые будут обеспечивать работу всех каналов лазерной установки, и запущен первый модуль — 8 каналов лазерной установки. С 2021 года с помощью этого модуля мы начнем производить исследования», — сказал Гаранин.
Эта установка важна для исследования экстремальных свойств вещества – в том числе, с точки зрения изучения возможности создания новых источников энергии, а также понимания процессов, происходящих в звездах. Вместе с тем, как следует из открытых источников информации, УФЛ-2М незаменима для моделирования и проектирования новых видов российского ядерного оружия.
Такие установки строят все ведущие ядерные державы — после запрещения испытаний ядерного оружия на них исследуют процессы, идущие в момент взрыва, рассказывал Гаранин еще в начале 2000-х годов журналу «Наука и жизнь».
Для исследования на суперкомпьютерах того, что происходит при взрывах термоядерных зарядов, нужны данные о состоянии вещества при сверхвысоких температурах и давлениях, характерных для условий взрыва. Такие сведения можно получить как раз с помощью лазерного обжатия мишеней с исследуемым веществом. Поскольку подобные лазерные комплексы могут создать у себя считанное число стран, то они могут считаться одним из показателей технологического развития государства. Как сообщалось ранее, всего установка УФЛ-2М будет иметь 192 лазерных канала, то есть сможет создавать 192 лазерных луча, что необходимо для равномерного облучения мишени со всех сторон.

Саровская установка для лазерного синтеза станет рекордсменом среди введенных и планируемых к строительству лазерных систем. Сообщалось, что к термоядерной мишени будет подводиться импульсной энергии в полтора раза больше, чем на американской лазерной установке NIF, используемой в программе по поддержанию боеготовности американских ядерных арсеналов.
Основная проблема, до сих пор мешающая зажечь термоядерную мишень в лаборатории, заключается в том, что очень маленькое количество вещества нужно сжать до крайне высоких плотностей, говорил ранее Гаранин. Оболочка капсулы, содержащей термоядерное «топливо», должна двигаться сферически симметрично, отклонения от сферического сжатия недопустимы, пояснял ученый. Эксперименты, проведенные на установке NIF, показали, что ее система облучения не может обеспечить необходимую однородность облучения центральной капсулы. Система облучения в УФЛ-2М иная, она уже практически сферически симметрична, отмечал Гаранин. Имея предыдущий опыт экспериментов, у специалистов РФЯЦ-ВНИИЭФ есть все шансы первыми в мире добиться желаемого «зажигания» термоядерных реакций в мишенях, добавлял он.
В апреле 2019 года саровский ядерный центр сообщил о завершении сборки так называемой камеры взаимодействия – центрального элемента установки УФЛ-2М. Камера взаимодействия представляет собой сферу диаметром 10 метров и весом около 120 тонн, в которой должно происходить взаимодействие лазерной энергии с мишенью.

Источник