Лазерная установка УФЛ-2М

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. Метавселенная ВДНХ 3.1 т

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