Под лазерным прицелом

Американцы представили собственную термоядерную установку. Лазеры, похоже, могут оказаться эффективнее ТОКАМАКа

Под лазерным прицелом

В сообществе ученых-физиков на протяжении долгого времени бытует кислая шутка: когда бы вы ни спросили спецов-разработчиков о перспективах практического осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС), их ответ всегда будет одним и тем же: «Это должно произойти в течение ближайших 50 лет».

Этот скверный анекдот особенно часто всплывает на поверхность при упоминании легендарного проекта ИТЭР (Международного экспериментального термоядерного реактора), многострадальная история которого насчитывает уже более 20 лет. Как известно, в мае 2006 года в Брюсселе было наконец подписано соглашение о начале его практической реализации. Однако долгожданное решение, казалось бы, открывающее широкую столбовую дорогу к желанной цели, увы, в который уже раз глубоко завязло в болоте новых бюрократических согласований и бюджетных переоценок финансовых составляющих. В частности, продолжают расти астрономическими темпами (согласно текущим неофициальным данным, более чем в два раза по сравнению с расчетами 2006 года) предполагаемые суммарные издержки осуществления строительной фазы проекта. И, по последней информации, в плане реанимации проекта ИТЭР, получившем название «Сценарий 1», оценочные сроки начала первых практических экспериментов уже сдвинуты на конец 2025 года, то есть на пять лет вперед по сравнению с заявленными в Брюсселе.

На фоне этого, увы, уже ставшего привычным негативного шлейфа, тянущегося за ИТЭР, победный рапорт американцев об окончательном завершении в конце мая 2009 года строительства альтернативного высокобюджетного проекта по осуществлению УТС — Национального комплекса лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF, в буквальном переводе с английского — «Национальная зажигательная установка») произвел особенно яркий эффект на публику. Выступая 29 мая на торжественной церемонии открытия NIF в Национальной Ливерморской лаборатории им. Лоуренса, расположенной в 80 километрах к востоку от Сан-Франциско, директор проекта Эдвард Мозес не смог отказать себе в удовольствии напомнить коллегам о бородатой физической шутке, дав при этом свой амбициозный прогноз в противовес устоявшимся пессимистическим оценкам: «На нашей установке управляемый термоядерный синтез может быть осуществлен уже через два года».

Справедливости ради, героическая история создания NIF также изобиловала многочисленными переносами сроков завершения строительства и болезненными корректировками бюджетных планов. Изначально (в 1994 году) разработчики проекта рассчитывали, что он будет сдан в эксплуатацию в 2002 году, а общие затраты на строительство составят чуть более 1 млрд долларов. Но, как и в случае с многими другими научными суперпроектами, лазерный комплекс был сдан на семь лет позднее и в итоге обошелся американской казне почти в четыре раза дороже исходной суммы (совокупные затраты составили около 4 млрд долларов).

Поэтому неудивительно, что долгожданная инаугурационная церемония в Ливерморе, с обилием душеподъемных речей и призывов ее участников, сильно подействовала на нервы многочисленным критикам проекта, которые издевательски переиначили название установки из NIF в NAIF (National Almost Ignition Facility, то есть «Национальная почти зажигательная установка»). По мнению оппонентов строительства NIF, новый лазерный комплекс представляет собой очередную «грандиозную научную иллюзию, впустую выкачивающую финансовые ресурсы государства в тяжелый кризисный период».

И все-таки, несмотря на обильный поток язвительных комментариев «со стороны», ученые-профессионалы по большей части готовы поверить смелым прогнозам Эдварда Мозеса. По словам доктора физико-математических наук, профессора Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) Владислава Розанова, «вероятность успешного проведения экспериментов по зажиганию мишеней в Ливерморской лаборатории в 2010 году сегодня многими специалистами оценивается достаточно высоко. То есть вполне вероятно, что уже через два-три года там будет осуществлен термоядерный микровзрыв с выходом 20 МДж термоядерной энергии (20 МДж — эквивалент энергии, потребляемой двумя миллионами 100-ваттных ламп накаливания в течение одной секунды. — “Эксперт”)».

Разумеется, само практическое достижение термоядерного микровзрыва еще вовсе не будет означать, что вскоре после этого человечество наконец получит эффективную технологию производства дешевой термоядерной энергии. Но помимо этой программы-максимум у создателей Национального комплекса лазерных термоядерных реакций в Ливерморе имеется в загашнике огромное количество «побочных» научных и технологических задач (прежде всего в области астрофизики и физики экстремальных состояний вещества), решение которых приведет к резкому увеличению объема наших знаний об окружающем мире и его законах. Кроме того, не следует забывать и о военно-технической составляющей проекта NIF.

Новое американское оружие

Изначально строительство ливерморской суперлазерной установки полностью финансировалось Национальной администрацией по вопросам ядерной безопасности (National Nuclear Security Administration, NNSA) при министерстве энергетики США. И этот «бюджетный нюанс» был в общем-то легко объясним: идеологи создания NIF никогда не скрывали, что новый хайтек-проект должен прежде всего стать ключевым компонентом Программы управления ядерным арсеналом США, которая была специально разработана NNSA после введения международного моратория на «натурные» ядерные испытания.

Выступая на инаугурационной церемонии в Ливерморе, глава NNSA Томас Д`Агостино особо подчеркнул, что «NIF будет играть важнейшую роль в обеспечении национальной безопасности Соединенных Штатов в XXI веке. Этот комплекс предоставит нам уникальные технические возможности для долгосрочного поддержания в боеспособном состоянии американских резервов ядерного оружия».

Иными словами, благодаря осуществлению различных экспериментов на установке NIF американские ученые-оборонщики наконец смогут практически проверить базовые расчеты и оценки поведения различных материалов при экстремальных температурах и давлениях, полученные при моделировании термоядерных процессов на суперкомпьютерах NNSA.

Однако военная составляющая лазерного проекта сегодня вполне резонно отходит на второй план (по крайней мере, в условиях его активной международной раскрутки), уступая место двум другим миссиям: научно-познавательной и энерготехнологической.

Что касается чисто научной стороны вопроса, особый интерес вызывает комплекс задач, связанных с экспериментальной проверкой различных теорий формирования и эволюции Вселенной. Создание в лаборатории условий, аналогичных тем, которые имеют место в глубинах крупных космических объектов (звезд, суперновых, газовых планет-гигантов и т. д.), позволит специалистам детально разобраться в особенностях процессов образования (синтеза) различных химических элементов.

В части же новых энерготехнологий перед американскими специалистами будут стоять две ключевые задачи: во-первых, создать самоподдерживающуюся реакцию термоядерного синтеза в мишени, а, во-вторых, что, пожалуй, еще важнее, продемонстрировать энергетическую эффективность всего процесса, то есть добиться того, чтобы так называемый коэффициент усиления по энергии Q, равный отношению энергии выхода, выделяющейся в результате реакций синтеза, к энергии, идущей на нагрев плазмы до термоядерных температур, существенно превысил единицу.

Сжатие идеально сферической мишени

Термоядерная реакция — это процесс слияния (или синтеза) легких ядер в более тяжелые. При этом наряду с образованием более тяжелых элементов выделяется значительная избыточная энергия в виде кинетической энергии конечных продуктов реакции и гамма-излучения. До сих пор реакция термоядерного синтеза (неуправляемый процесс) была успешно получена только в водородной бомбе, с использованием энергии ядерного взрыва: при ядерном взрыве образуется рентгеновское излучение достаточной мощности для сжатия мишени и осуществления в ней так называемого термоядерного зажигания.

К настоящему времени разрабатываемые учеными системы управляемого термоядерного синтеза делятся на два основных вида: стационарные и импульсные. Стационарный подход базируется на возможности удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы относительно низкой плотности магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени (от 1 до 10 сек.). К таким стационарным системам относятся ТОКАМАКи (сокращенно от «тороидальная камера с магнитными катушками»), предложенные в СССР еще в 50-х годах прошлого века, их более современная разновидность — установка JET (Joint European Torus), запущенная в британском Калхэме в 1983 году, а также проектируемый ИТЭР.

При импульсном же подходе необходимо нагреть и сжать малые порции вещества до таких температур и плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать за очень короткое (исчисляемое микро- и даже наносекундами) время существования инерциально удерживаемой плазмы.

Лазерный термоядерный синтез (ЛТС) — одно из главных направлений импульсного термоядерного синтеза. Впервые сама идея ЛТС была высказана в 1961 году в докладе Николая Басова на заседании Президиума АН СССР. Первоначальная формулировка нового подхода основывалась на предположении, что с помощью мощного концентрированного лазерного излучения можно нагреть вещество (маленькую мишень—«мини-бомбочку») до сверхвысоких температур и тем самым инициировать внутри его термоядерные реакции.

Вскоре Николаем Басовым и Олегом Крохиным был описан базовый механизм будущих лазерных термоядерных систем, который должен основываться на использовании последовательности (импульсной серии) лазерных микровзрывов внутри мишени.

Первые эксперименты по достижению высоких плотностей и температур сжимаемого топлива в так называемом режиме прямого сжатия начались в середине 70-х годов в Физическом институте им. П. Н. Лебедева на установке «Кальмар». В дальнейшем программы по ЛТС активно развивались в США (установки «Шива», «Нова» в Ливерморской лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Японии («Гекко-12») и, разумеется, в России («Дельфин» в ФИАНе, «Искра-4», «Искра-5» в Арзамасе-16).

Правда, отечественные проекты по ЛТС после распада СССР серьезно забуксовали. В частности, как отметил в недавней беседе с журналистами «Эксперта» заместитель директора Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) академик Олег Крохин, «фиановская программа по лазерному термояду к началу девяностых годов фактически остановилась, потому что сколько-нибудь заметного прогресса в этом направлении не было достигнуто и, более того, мы уже не могли эффективно эксплуатировать даже имевшиеся к тому времени экспериментальные наработки. Поэтому сейчас главной научной организацией в данной области исследований в нашей стране является Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики в Сарове (РФЯЦ — ВНИИЭФ, бывший Арзамас-16. — “Эксперт”)».

По словам начальника лаборатории РФЯЦ — ВНИИЭФ Леонида Мхитарьяна, «одна из главных проблем в ЛТС состоит в том, что в теории необходимо сделать идеально сферическую мишень и предельно равномерно сжимать ее, для того чтобы топливо мишени не разваливалось на куски. Однако наши десятилетние изыскания показали, что абсолютно симметрично обжимать мишень лазером не удается. Условия по симметрии на установке “Искра-5”, работавшей во ВНИИЭФ до недавнего времени, лучше, чем у американцев, но ее энергии для зажигания термоядерной реакции нам не хватает (“Искра-5” — самый мощный в Европе лазерный комплекс. — “Эксперт”). Поэтому ей на смену вскоре должна прийти новая установка, “Искра-6” (с энергией излучения 600 кДж)».

Во Франции последние несколько лет ведется строительство лазера LMJ, схожего по своим характеристикам с американским NIF (по оценкам специалистов, первые эксперименты по зажиганию мишени будут проведены на этом лазере с отставанием от США примерно на три года). Кроме того, в Европе и Японии параллельными темпами развиваются программы HiPER и FIREX, использующие идею быстрого зажигания — разделения процессов сжатия и нагрева мишени. Для этих целей создаются лазеры наносекундного диапазона длительности импульса с энергией 200–500 кДж (для сжатия), дополненные лазерами пикосекундного диапазона с энергией 50–100 кДж (для зажигания).

Административный оптимизм

При разработке амбициозной американской программы NIF, ориентированной на одиночные лазерные микровзрывы с высоким термоядерным выходом, ее идеологами был выбран путь создания сверходнородного равномерного облучения мишени за счет использования большего числа лазерных пучков (192 пучка).

Создаваемая отдельными лазерными пучками энергия многократно увеличивается, проходя через прихотливую систему разнообразных оптических усилителей. В итоге все лазерные лучи фокусируются с двух сторон на крошечном образце из смеси дейтерия и трития (двух изотопов водорода — 2H и 3H), заключенном в сферическую бериллиевую оболочку размером меньше спичечной головки (2 мм), охлажденную почти до абсолютного нуля (1,8 К) в вакуумной камере. Конечная цель этого лазерного обстрела, создающего вокруг поверхности мишени слой горячей плазмы с температурой порядка 100 млн К и сжимающего водородное топливо до сверхвысоких плотностей, — инициирование в смеси изотопов водорода термоядерного синтеза по базовой схеме 2H + 3H = 4He + n с энергетическим выходом в 17,6 МэВ.

В феврале 2009 года на NIF впервые протестировали все 192 лазера и произвели первый залп по мишени. И уже в марте лазерным комплексом был установлен новый абсолютный рекорд мощности светового импульса — 1,1 МДж.

Согласно различным оценкам, для получения нужных по теории для запуска термоядерной реакции мощностных характеристик лазерной установки (1,8 МДж, а «в идеале» — 4 МДж), а также достижения критических плотностей дейтериево-тритиевого газа в 200–300 г/см3 американским ученым предстоит еще не менее года работы. По словам Эдварда Мозеса, ученые и технологи, работающие на NIF, рассчитывают выйти на проектную мощность установки к концу 2010 года. Впрочем, директор ливерморского комплекса со свойственным ему административным оптимизмом уверенно предрекает, что первое «термоядерное зажигание» должно произойти еще раньше.

Статьи по теме:
Казахстан

От практики к теории

Состоялась презентация книги «Общая теория управления», первого отечественного опыта построения теории менеджмента

Тема недели

Из огня да в колею

Итоги и ключевые тренды 1991–2016‑го, которые будут влиять на Казахстан в 2017–2041‑м

Казахстан

Не победить, а минимизировать

В Казахстане бизнес-сообщество призывают активнее включиться в борьбу с коррупцией, но начать эту борьбу предлагают с самих себя

Международный бизнес

Интернет больших вещей

Освоение IoT в промышленности позволит компаниям совершить рывок в производительности