Американский прорыв в лазерном термояде

Н а прошлой неделе специалистами американской Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL, штат Калифорния) была представлена предварительная информация о недавно произошедшем там важном событии, которое сразу же вызвало переполох в мировом физическом сообществе.

Согласно пресс-релизу, появившемуся на интернет-сайте LLNL 18 августа, в ходе проведенного 8 августа очередного эксперимента на главной экспериментальной установке лаборатории — National Ignition Facility (NIF) — американским исследователям наконец удалось достичь колоссального прогресса, который вплотную приблизил их к решению принципиальной научной задачи — практическому осуществлению так называемого инерциального термоядерного синтеза (ICF, Inertial Confinement Fusion).

В результате произведенного на установке NIF очередного мощного «лазерного выстрела» по топливной мишени был инициирован «термоядерный взрыв» из топливной капсулы размером с перчинку, высвободивший в восемь раз больше энергии, чем в предыдущем рекордном эксперименте (осуществленном ранее в этом же году), — 1,35 мегаджоулей. Это, в свою очередь, составило около 70% от исходной энергии лазерного импульса (1,9 МДж), что переносит задействованную на установке NIF технологию «на порог инерциального термоядерного синтеза» (под этим порогом понимается стопроцентное соответствие «выходной» энергии «входной») и в случае его превышения обещает достижение самоподдерживающейся термоядерной реакции.

Как заявила Джилл Хруби, заместитель министра энергетики США и главный администратор Национального управления США по ядерной безопасности (NNSA, полуавтономное федеральное агентство министерства энергетики (DOE), непосредственно курирующего оборонные ядерные проекты этого ведомства, в том числе программу NIF), «эти выдающиеся результаты, полученные на NIF, продвигают вперед научные знания, от которых зависит модернизация ядерного оружия и производства в NNSA, а также открывают новые направления исследований».

Директор LLNL Ким Будил в своем кратком комментарии отметила, что «это исторический шаг вперед в области инерциального термоядерного синтеза, открывающий принципиально новый режим для дальнейших исследований и решения наших критически важных задач в области национальной безопасности. Он также является наглядным свидетельством инновационного подхода, изобретательности, самоотдачи и упорства этой команды и многих других исследователей, которые на протяжении десятилетий упорно добивались этой цели».

Альтернатива токамакам

Инерциальный термоядерный синтез (ИТС, он же инерциальный термояд, также иногда называемый термоядерным синтезом с инерционным удержанием) — это одно из двух основных исследовательских направлений термоядерного синтеза (наряду с «мейнстримным» магнитным управляемым синтезом, главным образом ориентированным на использование токамаков — тороидальных установок для магнитного удержания плазмы), теоретические основы которого были разработаны еще в 1950‒1960-х годах прошлого века.

Основная идея всех экспериментальных устройств ИТС заключается в быстром сжатии небольшого количества топлива (дейтерий-тритиевой смеси), при котором давление и температура достигают пороговых значений, необходимых для запуска реакций термоядерного синтеза.

В частности, температура образующейся в топливной мишени плазмы должна составлять десятки, а то и сотни миллионов градусов Цельсия, а плотность вещества — практически одномоментно вырасти в десятки тысяч раз.

При таких температурах и плотностях процессы синтеза запускаются достаточно быстро, прежде чем выделяющаяся в топливе энергия затем вызывает и ее выброс наружу. Для увеличения плотности и времени удержания плазмы используется радиационная имплозия мишени — импульсное сжатие термоядерного заряда (топливной мишени) с использованием энергии рентгеновского излучения. Причем скорость этого инициируемого процесса сжатия огромна — в пиковый момент она достигает порядка 350 км/с.

Важнейшими же драйверами этих процессов являются сверхмощные лазерные пучки, нагревающие внешний слой (оболочку) миниатюрной топливной мишени. В случае с установкой NIF, запущенной в экспериментальную эксплуатацию в 2009 году, специалисты LLNL используют 192 световых пучка в параллельной системе лазеров. Эти лазеры, пучки которых предварительно проходят через сложную систему, состоящую из 48 предусилителей сигнала (Preamplifier Modules, PAMs) и оптических переключателей, инициируют единичную пиковую световую вспышку мощностью 500 ТВт, которая достигает мишени одновременно со множества направлений в течение нескольких пикосекунд (общая длина пути, по которому распространяется лазерный луч в NIF, составляет порядка полутора километров).

Американский NIF изначально был спроектирован для использования метода непрямого сжатия (indirect drive), при котором лазер нагревает небольшой металлический (золотой) цилиндр, а не саму топливную капсулу, скрытую внутри него. Она, в свою очередь, состоит из замороженного слоя дейтерия и трития, окружающего охлажденную газообразную смесь тех же изотопов водорода; базовая конструкция капсулы имеет диаметр около двух миллиметров, и она охлаждена до температуры около 18 К (−255 °C). Под действием подводимого излучения этот цилиндр, называемый хольраумом (от немецкого слова Hohlraum — «полая комната», «полость»), «переизлучает» энергию в виде интенсивных рентгеновских лучей (иными словами, происходит конвертация энергии лазера в рентгеновское излучение), которые распределены более равномерно и симметрично, чем исходные лазерные лучи. И при превышении пороговых температур (и плотностей), а также при соблюдении симметрии процесса в топливной капсуле и происходит направленный внутрь взрыв (имплозия) дейтерий-тритиевого слоя, который, в свою очередь, заставляет атомы дейтерия и трития вступать в реакцию термоядерного синтеза длительностью в триллионные доли секунды.

Краткий курс истории NIF

Строительство NIF фактически началось в 1997 году, но возникшие административные проблемы и многочисленные технические пробуксовки замедлили ход работ в начале 2000-х годов. По сравнению с первоначальными расчетами установка NIF была собрана примерно на пять лет позже и обошлась американским налогоплательщикам почти в четыре раза дороже, чем было предусмотрено в исходном бюджете (порядка четырех миллиардов долларов, в то время как предполагалось потратить миллиард). Строительство было завершено 31 марта 2009 года, первые крупномасштабные эксперименты с лазерными мишенями были начаты в июне того же года.

Вскоре после запуска NIF руководство LLNL анонсировало широкомасштабную «Национальную кампанию по зажиганию» (National Ignition Campaign, NIC). К этому времени экспериментаторы были настолько уверены в том, что задача будет быстро решена, что в многочисленных научных публикациях и докладах, сопровождающих NIC, практически безапелляционно давались обещания вот-вот достичь амбициозной цели — практического осуществления ИТС (например, тогдашний директор программы NIF Майк Данн в январе 2012 года на одном из научных симпозиумов заявил, что это произойдет уже к октябрю того же года).

В частности, на основе компьютерного моделирования ожидалось, что ИТС приведет к высвобождению около 20 МДж термоядерной энергии, в результате чего ее чистый прирост (net fusion energy gain), обозначаемый Q, составит около 15 (Q = энергия термоядерного синтеза на выходе / энергия лазера на входе).

Однако все «лазерные выстрелы», произведенные в первые три года пресловутой «зажигательной кампании», давали только около 1 кДж энергии на выходе, что значительно меньше 21 кДж, непосредственно закачивавшихся в топливную капсулу рентгеновским импульсом, и намного меньше 1,8 МДж, генерируемых первоначальным лазерным импульсом.

Более того, в базовом проекте NIF предусматривался максимальный выход термоядерной энергии лишь около 45 МДж (из-за особенностей конструкции мишенной камеры), что эквивалентно взрыву примерно 11 кг тротила. И эта проектная энергия выхода была существенно меньше, чем 422 МДж входящей энергии, необходимой для зарядки конденсаторов системы, которые питают лазерные усилители. Иными словами, проектный общий КПД мог составить около 10% при максимальной производительности установки.

Быстро разочаровавшись в практических результатах на начальном этапе работы установки, руководство LLNL уже в сентябре 2012 года заявило о прекращении генеральной кампании NIC.

Отметим также, что еще в 2008 году, когда строительство NIF подходило к концу, LLNL запустил дополнительную программу Laser Inertial Fusion Energy, LIFE («Жизнь») для изучения возможностей использования технологий NIF в качестве основы для коммерческих проектов электростанций (хотя, повторим, при заложенных в исходный проект технических параметрах установки, серьезно рассчитывать на скорую практическую отдачу по этому «гражданскому направлению» едва ли имело смысл).

И эта параллельная программа просуществовала немногим дольше пресловутой кампании NIC: в апреле 2014 года руководство LLNL объявило о прекращении «Жизни».

Причем фактически начиная с 2013 года NIF сместил свой основной акцент на исследования материалов и технологий создания ядерного оружия. В частности, в экспериментах, начавшихся в 2015 году, главным образом использовались плутониевые мишени, при этом график запусков предусматривал от 10 до 12 «лазерных выстрелов» в 2015 году и до 120 выстрелов в течение следующих десяти лет.

Сгладить неровности

В рамках текущего нового цикла экспериментов, начавшегося в 2017 году, американские исследователи постепенно поднимали температуру процесса, в том числе благодаря увеличению размеров хольраума и капсулы (примерно на 20% по сравнению с предыдущим циклом) и наращиванию рентгеновской энергии, которую может поглотить эта капсула. Кроме того, для повышения давления они увеличивали длительность лазерного импульса и, что, возможно, наиболее существенно, заменили пластиковые капсулы на более плотные алмазные для более эффективного сжатия топлива.

Кроме того, как отмечается в обзоре журнала Science, опубликованном на прошлой неделе, помимо обозначенного выше, «основные технические усовершенствования включали в себя сглаживание микроскопических неровностей на поверхности топливной капсулы, уменьшение размера отверстия в капсуле, используемого для впрыска топлива, и уменьшение отверстий в золотом цилиндре, для того чтобы меньше энергии выходило наружу…»

И в результате длительных усилий специалистов LLNL/NIF по «достижению лучшего понимания физики имплозии» (именно такой оборот, в частности, используется в обзорной статье в Science), к прошлому году им наконец удалось выйти на выход энергии в 100 кДж.

Причем наглядная демонстрация практических успехов для американских специалистов, работающих над проектом лазерного термояда, в последние несколько лет была особенно важной с учетом того, что непосредственно финансирующее NIF Национальное управление ядерной безопасности США (NNCA), отталкиваясь от не слишком убедительных прошлых результатов, постепенно сокращало долю запусков установки, отводившихся на «зажигательные» опыты, в пользу задействования лазерного комплекса для других экспериментов, в основном моделирующих процессы применения ядерных боезарядов: по приводимым в Science оценкам, доля запусков NIF по первому направлению к настоящему времени сократилась почти с 60% в 2012 году менее чем до 30%.

Ранее в этом году, комбинируя вышеупомянутые усовершенствования различными способами, команда NIF произвела несколько пробных выстрелов, приведших к выделению более 100 кДж, в том числе в одном из этих экспериментов им удалось достичь отметки 170 кДж. Этот промежуточный результат позволил им осторожно предположить, что NIF наконец-то создал горячую плазму, в которой сами термоядерные реакции обеспечивают выделение тепловой энергии для продолжения термоядерного синтеза.

Однако то, что произошло в ходе последнего эксперимента 8 августа, когда в результате очередного лазерного выстрела было получено поразительное количество энергии — 1,35 МДж, как признаются сами исследователи, оказалось для них полной неожиданностью.

Так, Марк Херрманн, директор NIF, руководящий программой лазерного термояда в LLNL с 2014 года, заявил в интервью Science, что «потребуется некоторое время, для того чтобы понять, какие именно усовершенствования оказали наибольшее влияние на полученный результат и какая их комбинация приведет к дальнейшему прогрессу, потому что в последнем эксперименте было задействовано сразу несколько пробных новых решений. Это очень нелинейный процесс… и он очень трудно поддается контролю».

А в другом интервью для The New York Times г-н Херрманн уточнил, что «обычно ученые из Ливермора не говорят о своих успехах до тех пор, пока не будет опубликована научная статья с подробным описанием полученных результатов. Но поскольку информация о них стала распространяться как лесной пожар, мы решили, что будет лучше обнародовать некоторые факты уже сейчас».

Коллеги исследователей из LLNL/NIF, работающие в сфере ИТС, но непосредственно не участвовавшие в этой программе, пока в основном выражают свое восхищение заявленными предварительными результатами и отмечают, что проделанная ими работа — это гигантский прорыв.

В частности, по словам Стивена Роуза, содиректора британского центра термоядерных исследований при Imperial College London, «это самый значительный прогресс в инерционном термоядерном синтезе с момента начала исследований в 1972 году». В то же время его коллега, другой содиректор этого центра Джереми Читтенден более осторожно констатировал, что «превращение этой концепции в практические технологии производства возобновляемых источников электроэнергии, вероятно, будет длительным процессом и потребует преодоления значительных технических трудностей».

Наконец, стоит отметить и примечательное высказывание заслуженного ученого Стивена Боднера, на протяжении многих лет руководившего программой лазерных термоядерных исследований в вашингтонской Naval Research Laboratory, который заявил, что полученные в LLNL результаты «демонстрируют всем скептикам, что в концепции лазерного синтеза нет ничего фундаментально ошибочного. И теперь для США настало время двигаться вперед, запустив на федеральном уровне новую крупную энергетическую программу лазерного термоядерного синтеза».