Лазерная установка УФЛ-2М

Продукт
Разработчики: РФЯЦ-ВНИИЭФ Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (федеральный ядерный центр)
Отрасли: ВПК,  Энергетика

Содержание

Создание лазерной установки УФЛ-2М мегаджоульного уровня энергии ведет Федеральный ядерный центр (РФЯЦ-ВНИИЭФ).

Назначение установки

Лазерная установка нового поколения предназначена для фундаментальных исследований в области физики высоких плотностей энергии, в том числе – применения лазерного термоядерного синтеза в энергетике. УФЛ-2М будет иметь двойное назначение, одно из которых – военное. Эксперименты в области физики плотной горячей плазмы и высоких плотностей энергии, которые проводятся на подобного рода установках, могут быть направлены на создание термоядерного оружия. Второе направление – энергетическое. Лазерный термоядерный синтез может использоваться для разработки энергии будущего.

На одном из заседаний научно-технического совета ядерного оружейного комплекса «Росатома» разработчики установки отмечали, что создание УФЛ-2М является важным для исследований в области новых источников энергии, изучения состояний вещества, экспериментов для моделирования и проектирования новых видов ядерного оружия.

Полномасштабный запуск установки был запланирован на 2020 год.

Характеристики установки

УФЛ-2М представляет собой 192-канальный твердотельный лазер на неодимовом стекле с размером пучка 400×400 мм2. Установка расположится на территории технопарка «Саров» и займет площадь, сопоставимую с двумя футбольными полями, а по высоте будет примерно с 10-этажный дом. Ранее представители РФЯЦ-ВНИИЭФ сообщали, что необходимый объем финансирования проекта составляет порядка 45 млрд руб.

Ожидается, что на момент запуска установки она станет крупнейшей в мире. Запланированная мощность энергии УФЛ-2М на выходе составляет 4,6 МДж, а на мишени – 2,8 МДж. Для сравнения, уже существующие аналогичные лазерные установки в других странах - NIF в США и LMJ во Франции - обеспечивают энергию на мишени мощностью в 1,8 МДж и 2 МДж соответственно.

Общий вид установки УФЛ-2М

Проектируемые характеристики здания установки УФЛ-2М:
• Габариты 322.5 x 67 м2
• Длина лазерного зала 130 м
• Специальные фундаменты, обеспечивающие защиту лазера от сейсмических воздействий
• Потребность в электрической мощности – 15 МВт (4 МВт – инженерно-технологическое оборудование, 11 МВт – зарядка накопителей энергии)
• Площадь чистых помещений – 16 000 м2 (40% от общей площади)
• Биологическая защита от нейтронного потока до 3 × 1019 частиц за импульс

История создания

2020: Запущен первый модуль УФЛ-2М

Первый модуль самой мощной в мире лазерной установки УФЛ-2М был запущен в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Об этом 8 декабря 2020 года сообщил замдиректора по лазерным системам РФЯЦ-ВНИИЭФ академик Сергей Гаранин, выступивший в формате видеоконференции на научной сессии общего собрания РАН, посвященной 75-летию атомной отрасли РФ[1].

Установка необходима для проведения экспериментов по управляемому инерциальному термоядерному синтезу и исследований свойств вещества в экстремальных состояниях - при сверхвысоких давлениях и температурах.

«
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, - цитирует Гаранина «РИА Новости».
»

Камера воздействия установки УФЛ-2М, где будет протекать термоядерная реакция

Ожидается, что установка, создаваемая в ядерном центре, станет рекордсменом среди введенных и планируемых к строительству лазерных систем. В ней к термоядерной 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 лазерной системы УФЛ-2М должна выдавать 4,6 МДж.

До сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень. Основная проблема в том, что маленькое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей, объяснял ранее Сергей Гаранин. 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, - пояснял Гаранин[2].
»

Здание для размещения установки УФЛ-2М

В термоядерной гонке очень активны и зарубежные конкуренты. Так, в ноябре 2020-го представители американской NIF сообщали, что им удалось в серии последовательных экспериментов достичь энерговыделения плазмы свыше 60 килоджоулей. Это как никогда близко к ключевому порогу, при котором реакция синтеза будет самоподдерживающейся. Ближайшие «выстрелы» установки NIF помогут понять, насколько ученые близки к заветному пределу в 100 килоджоулей. Согласно расчетам, именно на этой отметке энерговыделения у специалистов должно получиться создать самоподдерживающуюся термоядерную реакцию, то есть зажечь плазму[3].

Международное энергетическое агентство предрекает, что к 2040 году спрос на электричество вырастет на 70%. Решение грядущей энергетической проблемы ученые видят в «приручении» термоядерного синтеза – реакции, которая питает Солнце и звезды – как источника безопасной и чистой альтернативной энергии.

Фото - РФЯЦ-ВНИИЭФ

2019: Завершение сборки камеры взаимодействия

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.

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[4].

2012: Стенды испытаний высоковольтных накопителей

О начале выполнения проекта представители РФЯЦ-ВНИИЭФ рассказывали на различных конференциях. По данным одного из таких докладов, в 2012 году в РФЯЦ-ВНИИЭФ были созданы новые стенды испытаний высоковольтных накопителей, экспериментально отработан и испытан задающий лазер. В результате научно-технического анализа и расчетов был также обоснован выбор системы ввода лазерной энергии в камеру взаимодействия, при которой обеспечивается высокая степень симметрии облучения термоядерной мишени лазерным излучением. Эта система позволяет работать как с прямым облучением мишени, так и с непрямым облучением в сферическом или цилиндрическом боксах.

Помимо этого, была выбрана и обоснована схема базового канала установки, позволяющая реализовать основные параметры лазерного излучения как по энергии, так и по временной форме лазерного импульса, а на основе базового канала – определен и весь облик лазерной установки.

Запланированных показателей мощности УФЛ-2М, как следует из доклада, планируется достичь, в том числе, за счет применения нового состава активных лазерных стекол (технология отработана на Лыткаринском заводе оптического стекла), использование сферического бокс-конвертера лазерного излучения и применения динамических плазменных фазовых пластин.

Согласно представленному в докладе поэтапному графику строительства установки, создание и испытание первого лазерного модуля запланировано на 2017 год, при этом начало монтажа модуля должно состояться не позднее 2016 года. Полномасштабный запуск установки запланирован на 2020 год.

1996: Предложение о создании установки нового поколения

С предложением создать лазерную установку нового поколения с мегаджоульным уровнем энергии РФЯЦ-ВНИИЭФ выступал еще в 1996 году. Впоследствии оно вылилось в проект по созданию установки УФЛ-900, которую планировалось строить по модульному принципу. Для проверки технической реализуемости этого проекта был создан прототип модуля - установка «Луч». Ее запуск позволил подтвердить реализуемость проекта, а также создать на базе «Луча» фемтосекундный канал с уровнем мощности порядка 1ПтВт. По данным РФЯЦ-ВНИИЭФ, установка «Луч» стала прототипом базового модуля установки УФЛ-2М.

Концептуальный проект УФЛ-2М разработал подведомственный РФЯЦ-ВНИИЭФ Институт лазерно-физических исследований (ИЛФИ), который ведет разработки лазерных установок различного назначения с середины 1960-х годов. В общей же сложности на первом этапе в создании установки принимают участие 19 научных и промышленных организаций России. По мере развертывания работ по строительству установки кооперация должна расширяться.

Технологический образец твердотельного лазерного источника

1989: "Искра-5"

Проект УФЛ-2М является развитием работ по созданию 12-канальной лазерной установки «Искра-5» с мощностью излучения 120 ТВт, введенной в строй в 1989 году. Основной задачей, которая решалась с ее помощью, было исследование физики работы мишени непрямого излучения. Направления этих исследований включают лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях.

Камера взаимодействия лазерной установки предыдущего поколения - «Искра-5»

Примечания



СМ. ТАКЖЕ (1)