Лазерный мир

Работа над термоядерным синтезом ведется во всем мире широким фронтом. Особенно хорошо разработана система токамак, на основе которой по международному проекту строится реактор ИТЕР (см. «Наука и жизнь» №№ 8, 9, 2001 г.). Некоторые физики обдумывают альтернативные конструкции, например стеллараторы и «галатеи» (см. «Наука и жизнь» № 12, 2000 г.), предлагают использовать ускорители на встречных пучках (см. «Наука и жизнь» № 1, 2000 г.). И во всем мире активно исследуют возможность в обозримом будущем «поджечь» термояд мощным лазерным излучением.

Двадцатый век — время многих свершений и открытий. Даже основные вехи его перечислить сложно. Неоспоримо одно — это век лазера, лазерной техники и лазерных технологий. (Само слово «лазер» — аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — усиление света вынужденным излучением.) Совершенствование лазеров и расширение области их применения идет полным ходом. Уже достигнута плотность мощности лазерного излучения 1020-1021 Вт/см2. При такой интенсивности напряженность электрического поля составляет 1012 В/см, что на два порядка сильнее поля протона на основном уровне атома водорода. Здесь-то и начинается самое интересное: вещество, попавшее в столь сильное поле, превращается во что-то совсем другое, и возникает новое, экзотическое, его состояние. Этой области науки — физике сверхсильных полей — посвящают ныне целые конференции. Одна из них — «Физика лазеров и взаимодействие лазерного излучения с веществом» — прошла в рамках IV Харитоновских научных чтений в городе Сарове в РФЯЦ-ВНИИЭФ (Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики).

Город Саров, ранее Арзамас-16, выбран для столь представительного международного форума неслучайно. Здесь не только создавалось атомное и термоядерное оружие, но и построены самые мощные в стране и в Европе лазерные установки. Потому изначально коллектив знаменитого во всем мире уникального института не только жил «порохом единым», но и занимался другими, не менее важными проблемами, например инерциальным ядерным синтезом.

Лазерный термояд

Одним из альтернативных путей синтеза легких ядер для получения энергии стал лазерный термоядерный синтез, так называемый «лазерный термояд». Его суть в том, что стеклянную ампулу с очень небольшим количеством смеси дейтерия с тритием со всех сторон облучают мощными лазерными импульсами. Ампула испаряется, а реактивное давление паров сжимает ее содержимое настолько, что в смеси «зажигается» термоядерная реакция. При этом высвобождается энергия, эквивалентная взрыву примерно 100 килограммов тротила. Она выделяется в форме нагретых до высокой температуры продуктов реакции и потока нейтронов. Проблема управляемого ядерного синтеза, включая «лазерную» его «версию», все еще не решена, хотя ей исполнилось уже 50 лет, но работы в этом направлении продолжаются.

И есть результаты, которые вселяют надежду, пока, правда, в среде ученых. Еще в 50-е годы прошлого столетия И. В. Курчатов и его соратники поняли, что проблему термояда быстро решить не удастся, потому она и была рассекречена в 1956 году — совершенно необычное дело по тем временам. Это решение, по словам академика В. Л. Гинзбурга, «сыграло большую положительную роль», потому что «сомнений в возможности создать реальный термоядерный реактор уже нет, и центр тяжести проблемы давно переместился в инженерную и экономическую области».

Практически все книги по управляемому термоядерному синтезу (УТС) начинаются примерно одинаково. Буквально первый абзац сообщает, что в мировой воде безбрежного океана содержатся большие запасы тяжелого изотопа водорода — дейтерия D. И если мы научимся выделять его энергию, то человечеству ее хватит надолго. И действительно, в литре обычной воды содержится 0,15 миллиграмма воды тяжелой D2O. При слиянии ядер дейтерия из нее выделяется столько же энергии, сколько при сгорании 300 литров бензина. И, как гласят законы квантовой физики, проблема управляемого термоядерного синтеза будет считаться решенной, если удастся использовать для нужд энергетики наиболее предпочтительные ядерные реакции синтеза дейтерия с тритием. Так что решение проблемы УТС — главная задача физики плазмы сегодня.

Метод инерциального удержания плазмы (к нему относится и лазерный термоядерный синтез — ЛТС) основан на инерции смеси, которая при мгновенном нагреве, например лазерным импульсом, «разлетается» не сразу. Практически все ныне созданные установки для ЛТС представляют собой камеру, в центр которой помещается дейтерий-тритиевая мишень. На ней фокусируется излучение нескольких мощных лазерных импульсов длительностью 10-9-10-10 секунды и суммарной мощностью порядка 1014-1015 Вт/см2. Расширяющиеся газы и реактивное давление сжимают термоядерное «горючее» примерно в 50 тысяч раз и нагревают его до температуры 10 кэВ (около 120 миллионов градусов). При этом оболочка ампулы испаряется, давление в смеси возрастает до миллиона атмосфер, а ее плотность — до 50-100 г/см3. Только при этих условиях, сохраняющихся лишь на время действия лазерного импульса, может начаться термоядерная реакция с выделением нейтронов и большого количества энергии: D + T = He4 + n + 17,6 МэВ. Как будет выглядеть лазерный термоядерный реактор? На эту тему сейчас можно только фантазировать. Ясно одно, что целая серия симметрично расположенных мощных лазеров с расстояния в десятки метров будет методично «обстреливать» мишень — ампулу размером около сантиметра.

Мишени станут подаваться в реактор несколько раз в секунду и со сверхвысокой точностью фиксироваться в его центре. Неоднородность интенсивности облучения мишени при этом не может превышать нескольких процентов, а размеры самой ампулы должны быть выдержаны с точностью до одного процента. Критерием зажигания реакции служит то состояние вещества, при котором альфа-частицы не покидают его сжатого объема. Из теоретических работ следует, что для осуществления самоподдерживающейся реакции синтеза необходимо достичь исходной плотности дейтерий-тритиевого газа 100-200 г/см3 при температуре 3-5 кэВ. Достичь этих параметров даже при использовании мощного лазерного излучения достаточно трудно. За прошедшие десятилетия активно изучались различные типы мишеней: для прямого и непрямого облучения, однослойные и многослойные, имеющие разнообразную конструкцию и форму. При этом получен богатый расчетно-теоретический и экспериментальный материал.

Исследуют мишени на крупных физических установках: «Нова» — с энергией излучения в импульсе до 120 кДж — в Ливерморской национальной лаборатории США; «Омега» — с энергией излучения до 60 кДж — в Рочестере (тоже США); «Гекко-12» в Осаке (Япония) и «Фебус» во французском городе Лимейл, обе с энергией излучения в импульсе до 20 кДж, и в российском Сарове «Искра-5» — до 30 кДж. В экспериментах на них исследователи ищут ответы на основные проблемные вопросы физики лазерного термоядерного синтеза. В 1995 году на установке «Омега» был поставлен своего рода мировой рекорд — нейтронный выход составил 1014 нейтронов (российская «Искра» дала 6•109 нейтронов). Плотность сжатого материала оболочки 120 г/см3, достигнутая на установке «Гекко-12», в 600 раз превысила плотность твердого дейтерий-тритиевого газа. Полученная на «Нове» плотность сжатого ДТ-газа составила 20 г/см3. На «Искре-5» зафиксирована температура ионов до 7 кэВ. На установках «Нова» и «Искра-5» скорость оболочки мишени приблизилась к 3.107 см/с. На «Гекко-12» температура рентгеновского излучения в полости мишени достигла 240 эВ, на установке «Искра-5» — 170 эВ.

Эти результаты свидетельствуют, что достичь необходимой плотности топлива для его зажигания вполне реально. Они хорошо соответствуют расчетно-теоретическим моделям, которые определяют необходимую величину энергии лазерного излучения и его параметры — форму импульса, длину волны, число пучков, расходимость излучения, точность наведения на мишень и многие другие характеристики, позволяющие в конце концов зажечь термоядерную реакцию в лабораторных условиях. К лазерам теория предъявляет крайне жесткие требования. Кпд лазера, например, должен быть не менее 10% при энергии излучения 1-3 МДж, иначе вся выработанная термоядерная энергия попросту уйдет на питание самого лазера. Однако это требование не столь критично, ввиду возможности примерно десятикратного увеличения энергетического выхода благодаря использованию для оболочки дейтерий-тритиевой мишени делящихся материалов. Значительно более серьезными представляются трудности, связанные с лучевой прочностью лазерных материалов, оптических элементов, стабильностью работы и т. д.

Так, лазер, пригодный для термоядерного реактора, должен давать порядка ста миллионов импульсов излучения без замены элементов и юстировки. При этом длительность лазерного импульса должна находиться в субнаносекундной области (менее 10-9с) при частоте повторения вспышек 1-10 Гц, то есть «стрелять» лазер должен очень короткими импульсами со скоростью минимум раз в секунду. Только при выполнении всех этих условий коэффициент усиления реактора (отношение выделившейся термоядерной энергии к энергии лазера) может достичь 100 — 1000, и термоядерная реакция наконец-то пойдет. Ясно, что сконструировать столь сложную систему с таким количеством взаимоисключающих требований — задача не из легких. Какой лазер станет основой будущей термоядерной электростанции, нет полной ясности даже в среде специалистов.

Практически все имеющиеся сегодня в мире установки еще не обладают энергией, достаточной для осуществления зажигания. Наиболее вероятный кандидат на эту роль, по-видимому, лазер на неодимовом стекле с импульсной накачкой излучением светодиодов. Об этом свидетельствуют его высокий коэффициент полезного действия (до 10%) и большая частота следования импульсов (до 5 Гц), а также последние успехи в разработке светодиодных матриц.

Больше информации на: https://www.nkj.ru/archive/articles/2545/