Просмотр кода страницы National Ignition Facility

{{coord|37.690859|-121.700556|display=title|format=dms|region:US_type:landmark}}
[[Файл:NIF_building_layout.png|thumb|Схема здания лазерного комплекса]]
[[Файл:NIF Laser Bay.jpg|thumb|Один из лазерных ангаров комплекса]]
[[Image:Fusion_microcapsule.jpg|thumb|right|Капсула с [[Дейтерий|D]]-[[Тритий|T]] смесью<br>(мишень для лазеров)]]
{{Викиновости|Осуществлён первый успешный интегрированный эксперимент на установке NIF}}
{{Родственные проекты}}

'''''National Ignition Facility''''', '''''NIF''''' {{ref-en|в}}, Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций [[Соединённые Штаты Америки|США]] ; (национальная зажигательная лаборатория<ref name="Гибалов,2022">{{публикация|статья|заглавие=Зажгли|ссылка=https://nplus1.ru/material/2022/12/14/nif|год=2020|автор=Гибалов|автор имя=В.|язык=en|архив дата=20221217160902|архив=https://web.archive.org/web/20221217160902/https://nplus1.ru/material/2022/12/14/nif|подзаголовок=Лазерная установка NIF вышла в термоядерный плюс|издание=N+1|месяц=12|день=14}}</ref>) - научный комплекс по исследованиям [[Инерциальный управляемый термоядерный синтез|инерционного (резонансного)термоядерного синтеза]], инициируемого лазерным излучением. 

Директор проекта NIF — физик {{нп4|Мозес, Эдвард|Эдвард Мозес|4=Ed Moses (physicist)}} ({{lang-en2|Edward Moses}}).

Помимо изучения управляемого термоядерного синтеза - NIF используется для проверки [[Компьютерное моделирование|компьютерных моделей]] поведение [[Ядерное оружие|ядерного оружия]] для [[Агентство ядерной безопасности США|Агентства ядерной безопасности США]] ({{нп4|Агентство ядерной безопасности США|National Nuclear Security Administration||National Nuclear Security Administration}}, NNSA), и в первое время существования установки это было её основное применение<ref name="Гибалов,2022" />.

== Принцип действия и конструкция ==
{{главная|Инерциальный управляемый термоядерный синтез}}
{{чистить|дата=2024-02-09}}{{стиль статьи|дата=2010-04-02}} <!-- в осн. ст. меньше  чем тут -->
При [[Управляемый термоядерный синтез|управляемом термоядерном синтезе]] с инерциальным [[конфайнмент]]ом (от {{lang-en|confinement}} — удержание) и непрямым лазерным обжатием — нагрев капсулы с термоядерным топливом производится настолько быстро, что благодаря [[Инерция|инерции]] образовавшаяся в результате нагрева [[плазма]] не успевает разлететься (''инерциальное удержание''), атомы топлива не успевают рассеяться в окружающем пространстве и в реакторной капсуле на краткое время создаётся сочетание температуры и давления, необходимое для преодоления [[Кулоновское отталкивание|кулоновского отталкивания]] протонов (подобный принцип применён в [[Термоядерное оружие|термоядерной бомбах]], где разогрев и обжатие дейтерида лития осуществляет инициирующий ядерный взрыв)<ref name="Гибалов,2022" />.

В NIF используется мишень-хольраум, внутри которой подвешена миниатюрная металлическая сфера, в которую залита охлаждённая до {{nobr|15 [[Кельвин|К]]}} смесь дейтерия и трития. Импульс [[Инфракрасное излучение|инфракрасного]] лазера определённой формы (временная характеристика импульса строго регламентируется) расщепляется на 192 луча, каждый лучик проходит четыре раза через свой лазерный усилитель, каждый из усиленных лучей попадает в свой узел преобразования частоты, где исходное инфракрасное излучение превращается в [[Ультрафиолетовое излучение|ультрафиолетовое]]. [[Ультрафиолетовое излучение|Ультрафиолетовые]] лучи направляются в систему фокусировки и через окна в мишени-хольрауме освещают её внутренние стенки, выбивают из них фотоны [[Рентгеновское излучение|рентгеновского излучения]], которые уже нагревают и обжимают сферу с термоядерным топливом. Точность фокусировки лучей ультрафиолета составляет {{nobr|10 [[микрометр|мкм]]}}. За {{nobr|10 [[наносекунда|нс]]}} мишень нагревается до {{nobr|3 млн}} градусов, внешние слои капсулы с топливом испаряются, отдача давит на внутренние слои капсулы, что на 2 наносекунды обеспечивает давление около 200 млрд атмосфер, мишень сжимается приблизительно в 30 раз до плотности {{nobr|1–1,3 кг/см³}} (в 100 раз большей, чем у свинца), и в центре мишени начинается реакция слияния ядер, которая длится несколько десятков пикосекунд<ref name="Гибалов,2022" />.

Мощность импульса лазерной установки достигает {{nobr|500 ТВт}}. На мишень попадает [[ультрафиолет]] с длиной волны 351 нм. Температура в центре мишени достигает 100 миллионов градусов. Дейтерий-тритиевая смесь в центре мишени сжимается до плотности около 1 кг/см<sup>3</sup>, давление эквивалентно 300 миллиардам атмосфер<ref>{{Cite web |title=Ignition Physics Program |archive-url=https://web.archive.org/web/20060115042042/http://www7.nationalacademies.org/bpa/PLSC_Sept05_Presentation_Lindl.pdf |access-date=2022-08-01 |last=Lindl |first=John |url=http://www7.nationalacademies.org/bpa/PLSC_Sept05_Presentation_Lindl.pdf |publisher=Lawrence Livermore National Laboratory|date= 2005-09-24 |archive-date=2006-01-15}}</ref><ref>{{Cite web |url=https://www.llnl.gov/news/climbing-mountain-fusion-ignition-interview-omar-hurricane |title=Climbing the mountain of fusion ignition: an interview with Omar Hurricane |access-date=2022-12-13 |archive-date=2022-12-13 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221213223929/https://www.llnl.gov/news/climbing-mountain-fusion-ignition-interview-omar-hurricane |deadlink=no }}</ref>

В мишени протекает термоядерная реакция:
: <math>{}^{2}_{1}\mbox{H} + {}^{3}_{1}\mbox{H}  \rightarrow {}^{4}_{2}\mbox{He} + {}^{1}_{0}\mbox{n} + 17,6 \mbox{ MeV}. </math>
— ядро дейтерия и ядро трития сливаются с образованием ядра [[гелий|гелия]] ([[альфа-частица|альфа-частицы]]) и [[нейтрон]]а, выносящего большую энергию (17,6 МэВ).

Мощность этой термоядерной реакции, протекающей за пикосекунды цикла работы установки, сравнима с мощностью солнечного излучения, попадающего на Землю<ref name="Гибалов,2022" />.

<gallery mode="packed"> 
Deuterium-tritium fusion.svg | Схема реакции дейтерий-тритий
Nif-shot_target-arm-before_big.jpg | Сборка мишеней для эксперимента NIF
NIF output over 10 years.png | Энерговыделение термоядерной реакции за 2011–2021 годы
</gallery>

Затраты энергии на инициирование реакции составляют около {{nobr|400 МДж}}, расходы энергии на вспомогательные нужды – ещё около {{nobr|100 МДж}}, при этом достигнут выход энергии в экспериментах в 2021 году {{nobr|3,05 МДж}}, Итоговый энергетический баланс ''NIF'' отрицательный, это не энергетическая, а исследовательская установка. Лазерная установка строилась по технологиям 90x годов и имеет КПД всего лишь 0,5 %. Лазерный импульс притерпевает очень не эффективные преобразования, ИК спектр преобразуется в УФ например. Более того, в её конструкции нет электрических генераторов, и полученное в ходе реакции тепло рассеивается с помощью градирен<ref name="Гибалов,2022" />.

;Теория:
В 1957 году создатель термоядерной бомбы [[Теллер, Эдвард|Эдвард Теллер]] обсуждал с коллегами вариант получения энергии при взрыве термоядерного устройства малой мощности в трёхсотметровой полости в толще гранита<ref name="Гибалов,2022" />.

Лазерное обжатие термоядерной мишени придумал изобретатель лазера советский физик [[Басов, Николай Геннадиевич|Николай Басов]]. В 1964 году он с коллегами опубликовал в [[Журнал экспериментальной и теоретической физики|Журнале экспериментальной и теоретической физики]] работу, в которой описал нагрев плазмы лазерным излучением, а в 1968 году — результаты эксперимента, в котором они наблюдали нейтроны при облучении дейтерида лития мощным лазером. Затем американский физик из Ливерморской национальной лаборатории {{нп4|Накколс, Джон Хопкин|Джон Накколс||John Nuckolls}} ({{lang-en|John Hopkin Nuckolls}}) опубликовал в 1972 году статью с эскизным описанием и установки для лазерного термоядерного синтеза и расчётом её коммерческой эффективности<ref name="Гибалов,2022" />.

Накколс с соавторами описал преимущество лазерного обжатия перед механическим — по их расчётам выходило, что необходимую для зажигания термоядерной реакции плотность вещества можно достигнуть посредством равномерного облучения сферической мишени лазерами. Предел давления, достижимой химическим взрывом — {{nobr|10<sup>7</sup> атм}}, а лазерное обжатие по их расчётам должно дать давление 10<sup>8</sup>–10<sup>11</sup> и более атмосфер<ref name="Гибалов,2022" />.

Группа Накколса предложила установку, в которой лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны были испарить внешние слои миллиметровой сферической мишени, которые при этом будут давить на вещество в её центре, и там получатся давление и температура, достаточные для запуска термоядерной реакции в смеси дейтерия и трития. Начавшаяся реакция при этом дожна была «поджечь» и остальное вещество мишени<ref name="Гибалов,2022" />.

Теоретические разработки показали, что для обжатия газообразной мишени нужна энергия лазеров порядка {{nobr|100 [[Джоуль|МДж]]}}, что было недостижимо на тот момент. поэтому исследователи придумали вариант твёрдой мишени из замороженной дейтерий-тритиевой смеси. Холодная мишень за счёт механической прочности и ударной волной сжатия в твёрдом теле должна была разогреть центр мишени, что требовало энергии облучения около {{nobr|2–3 МДж}}.

В дальнейшем учёные предложли принцип непрямого обжатия — свет лазеров облучал контейнер, внутри которого располагается мишень. Под воздействием лазерного излучения внутренние стенки контейнера излучают рентгеновские фотоны, которые уже облучают мишень. Такой контейнер получил название ''хольраум'' (от {{lang-de|hohlraum}} — пустое пространство, полость — этот термин был использован [[Планк, Макс|Максом Планком]] для описания модели [[Абсолютно чёрное тело|абсолютно чёрного тела]]). Преобразование лазерного излучения в рентгеновское достаточно эффективно — расчётный выход рентгеновских фотонов должен составлять {{nobr|70–80 %}} энергии лазерного излучения<ref name="Гибалов,2022" />.

== История ==
Строительство  научного комплекса NIF началось в 1997 году, официальная закладка фундамента основного здания NIF состоялась [[29 мая]] [[1997]] года<ref>[https://web.archive.org/web/20120724042234/https://lasers.llnl.gov/multimedia/photo_gallery/building_nif/?id=1&category=building_nif Multimedia: Photo Gallery, NIF & Photon Science] /вебархив/</ref>.

На возведение всего комплекса ушло 12 лет и примерно 4 млрд долл{{нет АИ|21|12|2022}}.
[[31 марта]] [[2009]] года было объявлено об окончании строительства NIF<ref>[https://web.archive.org/web/20100527184853/https://publicaffairs.llnl.gov/news/news_releases/2009/NR-09-05-05.html Dedication of world’s largest laser marks the dawn of a new era]</ref>. В этом же году был проведён первый пробный запуск.

К 30 сентября 2012 года, после проведения более чем тысячи экспериментов, проекту так и не удалось продемонстрировать [[Термоядерная реакция|термоядерную реакцию]]. Проект оказался на грани закрытия, вопрос о его дальнейшем финансировании был поставлен перед [[Конгресс США|Конгрессом США]]<ref>[http://www.atominfo.ru/newsc/l0349.htm Большому лазеру - большие проблемы] // AtomInfo.Ru, 9.10.2012 / {{Wayback|url=http://www.atominfo.ru/newsc/l0349.htm |date=20121015015659 }} </ref><ref>[https://www.nytimes.com/2012/09/30/science/fusion-project-faces-a-frugal-congress.html?pagewanted=all&_r=0 So Far Unfruitful, Fusion Project Faces a Frugal Congress] {{Wayback|url=https://www.nytimes.com/2012/09/30/science/fusion-project-faces-a-frugal-congress.html?pagewanted=all&_r=0 |date=20201112033638 }} // The New York Times, September 29, 2012</ref>.

В 2018 году, после серии технических улучшений, проекту удалось продемонстрировать термоядерную реакцию, выделившую {{nobr|3,6 %}} от входной энергии лазера<ref>{{Cite web |url=https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.245003 |title=Phys. Rev. Lett. 120, 245003 (2018) - Fusion Energy Output Greater than the Kinetic Energy of an Imploding Shell at the National Ignition Facility<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2021-08-25 |archive-date=2021-08-25 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210825082221/https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.245003 |deadlink=no }}</ref>.

В эксперименте в августе 2021 года в термоядерной реакции выделилось {{nobr|1,3 МДж}}, примерно {{nobr|70 %}} от входной энергии лазеров накачки. Этого удалось достичь, заменив водород-дейтериевую мишень на [[алмаз]]ную, благодаря чему возросло поглощение вторичных рентгеновских лучей, создаваемых лазерным импульсом, что в свою очередь увеличило эффективность [[Имплозия|имплозии]]<ref>https://web.archive.org/web/20210817201327/https://www.nytimes.com/2021/08/17/science/lasers-fusion-power-watts-earth.html</ref>. Однако последующие попытки воспроизвести этот результат не были успешными. 
В октябре 2021 и позднее удалось достичь выхода в {{nobr|400–700 КДж}}, в два и более раз меньше {{nobr|1,3 МДж}}; эта энергия не достигает установленных учёными значений для порога зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции<ref>{{Статья|ссылка=https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1|автор=Jeff Tollefson|заглавие=Exclusive: Laser-fusion facility heads back to the drawing board|год=2022-07-22|язык=en|издание=Nature|doi=10.1038/d41586-022-02022-1|archivedate=2022-07-25|archiveurl=https://web.archive.org/web/20220725082701/https://www.nature.com/articles/d41586-022-02022-1}}</ref>.

В эксперименте [[5 декабря]] [[2022]] года учёные ''впервые в истории''<!-- В том теперь уже историческом эксперименте в начале декабря 2022 года на капсулу с топливом было подано 2,05 МДж энергии, а высвободилось 3,15 МДж, что примерно в 1,5 раза больше. Учёные около 50 лет шли к этой цели, что можно назвать переломным моментом в освоении термоядерной энергии синтеза. --> добились ''положительного выхода энергии'' в ходе реакции [[Управляемый термоядерный синтез|термоядерного синтеза]] — удалось получить около 3,15 мегаджоуля энергии, что превысило использованную в лазерах энергию — {{nobr|2,05 мегаджоуля}} (энергии было получено даже больше, чем планировалось, что привело к повреждению диагностического оборудования и усложнило анализ результатов<ref>{{Cite web |url=https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition |title=DOE National Laboratory Makes History by Achieving Fusion Ignition |access-date=2022-12-13 |archive-date=2022-12-14 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221214103842/https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition |deadlink=no }}</ref><ref>{{Cite web |url=https://www.rbc.ru/society/12/12/2022/639683a79a7947537f0fe90b |title=FT узнал о прорыве в изучении термоядерной энергии |access-date=2022-12-12 |archive-date=2022-12-12 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221212185304/https://www.rbc.ru/society/12/12/2022/639683a79a7947537f0fe90b |deadlink=no }}</ref><ref>{{Cite web |url=https://profile.ru/news/scitech/v-ssha-vpervye-poluchili-prirost-energii-v-rezultate-reakcii-termoyadernogo-sinteza-1221318/ |title=В США впервые получили прирост энергии в результате реакции термоядерного синтеза |access-date=2022-12-13 |archive-date=2022-12-14 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221214074941/https://profile.ru/news/scitech/v-ssha-vpervye-poluchili-prirost-energii-v-rezultate-reakcii-termoyadernogo-sinteza-1221318/ |deadlink=no }}</ref>). Хотя при этом — для накачки системы лазеров потребовалась энергия, превышающая 400 мегаджоулей<ref>{{Cite web|url=https://www.cnet.com/science/major-energy-breakthrough-milestone-achieved-in-us-fusion-experiment/|title=Major Energy Breakthrough: Milestone Achieved in US Fusion Experiment|first=Jackson|last=Ryan|website=CNET|quote=Powering the entire laser system used by the NIF requires more than 400 megajoules…|access-date=2022-12-21|archive-date=2022-12-21|archive-url=https://web.archive.org/web/20221221212615/https://www.cnet.com/science/major-energy-breakthrough-milestone-achieved-in-us-fusion-experiment/|deadlink=no}}</ref>.

В экспериментах 2023 года  этот успех (превышением энерги выхода над затраченной) был повторён трижды (первый раз 30 июля<ref>Lavanya Ahire in Bengaluru and Doina Chiacu in Washington, Reuters [https://news.yahoo.com/us-scientists-repeat-fusion-power-195334524.html (7 Aug 2023) US scientists repeat fusion ignition breakthrough for 2nd time] {{Wayback|url=https://news.yahoo.com/us-scientists-repeat-fusion-power-195334524.html |date=20230809153147 }}</ref>, далее  в октябре и ноябре)<ref>[https://3dnews.ru/1097819/kogda-termoyad-stanovitsya-rutinoy-v-etom-godu-uchyonie-iz-llnl-trigdi-zapustili-reaktsiyu-sinteza-s-pologitelnim-vihodom-energii Когда термояд становится рутиной: в этом году учёные из LLNL трижды запустили реакцию синтеза с положительным выходом энергии] {{Wayback|url=https://3dnews.ru/1097819/kogda-termoyad-stanovitsya-rutinoy-v-etom-godu-uchyonie-iz-llnl-trigdi-zapustili-reaktsiyu-sinteza-s-pologitelnim-vihodom-energii |date=20231221145046 }} // [[3DNews Daily Digital Digest|3DNews]], 21.12.2023</ref>; был получен ещё лучший выход — 3,88 МДж при той же энергии входа<ref>[https://3dnews.ru/1099893/uchyonie-dali-ekspertnuyu-otsenku-amerikanskomu-eksperimentu-po-termoyadernomu-sintezu-s-pomoshchyu-lazerov Эксперты подтвердили прорыв в термоядерном синтезе, достигнутый учёными США] {{Wayback|url=https://3dnews.ru/1099893/uchyonie-dali-ekspertnuyu-otsenku-amerikanskomu-eksperimentu-po-termoyadernomu-sintezu-s-pomoshchyu-lazerov |date=20240207090600 }} // [[3DNews Daily Digital Digest|3DNews]], 6.02.2024</ref>.

== См. также ==
* [[Nova (лазер)|Nova]] — термоядерная установка, предшественница NIF, созданная в [[Ливерморская национальная лаборатория|Ливерморской лаборатории]] в 1984 году
* Лаборатория лазерной энергетики [[Рочестерский университет|Рочестерского университета]]<ref>[https://www.gazeta.ru/tech/news/2024/02/06/22275169.shtml Американские физики-ядерщики из Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета успешно испытали лазерную «свечу зажигания» OMEGA для термоядерных реакторов] {{Wayback|url=https://www.gazeta.ru/tech/news/2024/02/06/22275169.shtml |date=20240206173918 }}. OMEGA представляет собой крупнейший на сегодня научный лазер в мире // 6 февраля 2024</ref>
* [[Wendelstein 7-X]] (Германия)
* [[Международный экспериментальный термоядерный реактор]]

== Ссылки ==
* [https://lasers.llnl.gov Сайт проекта]{{Ref-en}}
* [http://www.rian.ru/science/20090401/166682691.html Создана мощная лазерная установка для запуска термоядерной реакции] // [[РИА Новости]], 1.04.2009
* [[Science]] [https://www.science.org/content/article/historic-explosion-long-sought-fusion-breakthrough о долгожданном прорыве в термоядерном синтезе]{{Ref-en}}
* [https://web.archive.org/web/20100527152319/https://lasers.llnl.gov/about/nif/how_nif_works/index.php How NIF Works (Как NIF работает)]{{Ref-en}} /вебархив/

== Примечания ==
{{примечания}}

{{Внешние ссылки}}
{{Экспериментальные установки термоядерного синтеза}}

[[Категория:Центры ядерных исследований]]
[[Категория:Ливерморская национальная лаборатория]]
[[Категория:Управляемый термоядерный синтез]]
[[Категория:Лаборатории в США]]