Ученые из Университета Колорадо (CSU) установили абсолютно новый рекорд в области эффективности ядерного синтеза, достигнутый на микромасштабе. Инициировав реакции ядерного синтеза с использованием коротких импульсов мощного лазера, исследователям удалось добиться эффективности, в пятьсот раз превышающей показатели аналогичных экспериментов. Примечательной особенностью этого достижения является то, что в качестве мишени для лазерного излучения использовалось не обычное плоское полимерное вещество, а совокупность нанопроводов, которые образовали исключительно горячую и плотную плазму. Следует отметить, что источником термоядерной энергии, обеспечивающей наше существование, является Солнце, которое находится в нашем распоряжении. В центре Солнца атомы водорода, проходя через цепочки ядерных реакций, превращаются в ядра гелия, выделяя при этом огромное количество энергии.
Теоретически, если мы сможем использовать подобные процессы на Земле, то человечество получит неограниченный ничем источник экологически чистой энергии. В настоящее время в этом направлении проводится целый ряд работ и экспериментов, однако, практическое использование термоядерного синтеза в энергетике так и остается пока за пределами нашей досягаемости.
Однако, процесс термоядерного синтеза может оказаться очень полезным, работая в гораздо меньшем масштабе, нежели Солнце и ядерные реакторы. Да и для толчка термоядерного синтеза на микромасштабе не требуются огромные лазерные установки и атомная электростанция неподалеку. Исследователям из CSU вполне хватило одного лазера, который можно разместить на поверхности обычного лабораторного стола и который способен вырабатывать быстрые импульсы света.
В других подобных экспериментах в качестве мишени для лазерного света обычно используется плоская поверхность специального полимерного материала. Но в данном случае исследователи использовали “сеть” из нанопроводников, изготовленных из полиэтилена, насыщенного дейтерием. Мощные импульсы лазерного света разрушают и испаряют тончайшие нанопроводники в течение нескольких фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), создавая в области пространства сверхвысокоплотную и высокотемпературную плазму, которая, в свою очередь, испускает гелий и большое количество свободных нейтронов.
Ученые сообщили, что в своих экспериментах им удалось получить до 2 миллионов нейтронов в расчете на один джоуль энергии лазерного света. Это приблизительно в 500 раз больше, чем было получено в других экспериментах и это является абсолютным рекордом на сегодняшний день.
Однако, термоядерный синтез, реализованный на микромасштабе, вряд ли можно будет использовать для получения энергии. Данное направление исследований нацелено на улучшение нашего понимания взаимодействия света и материи, кроме того, теромоядерный синтез является достаточно эффективным “генератором” нейтронов, которые могут быть использованы для проведения съемки различных процессов внутри материалов, куда не может проникнуть даже рентгеновское излучение.
Для любознательных
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.
Сколько копий было сломано на пути к ЛТС
Возможность осуществления лазерного термоядерного синтеза первыми рассмотрели в своих работах сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) Н. Г. Басов и А. Д. Сахаров. Андрей Дмитриевич еще в начале 60-х годов предложил принципиальную схему устройства для реализации лазерного термоядерного синтеза: симметричное облучение лазерным излучением полой сферы, заполненной дейтерий-тритиевым газом. Эта схема и тип мишени были затем исследованы во многих странах мира.
В международном научном журнале “Nature” появилась статья американского исследователя Т. Меймана, в которой он сообщил, что первый импульсный лазер на кристалле рубина создан. Шел 1960-й год. Саровские ученые в окружении Ю. Б. Харитона начали размышлять о возможном применении этого изобретения. А. Д. Сахаров (в то время он жил и работал в Арзамасе-16) предположил, что с развитием лазерной техники можно будет зажечь термоядерную реакцию в изотопах водорода с помощью мощного направленного излучения. Вот как описан этот момент очевидцами: “…Андрей Дмитриевич на доске мелом нарисовал схему эксперимента. В одном из фокусов эллипсоида он поместил источник лазерного излучения, в другом – сферическую оболочку, наполненную термоядерным горючим – смесью трития с дейтерием или просто дейтерием. Далее он объяснил, как эта система должна работать. Под действием лазерного излучения, сфокусированного на поверхности шарика, материал шарика должен испариться. Импульсом разлетающихся паров сферическая оболочка обязательно толкнется к центру, сжимая и нагревая горючее до необходимой для термоядерной вспышки температуры”. Сегодня подобные схемы термоядерного синтеза называются системами с инерциальным удержанием плазмы. По словам коллег, Андрей Дмитриевич не придавал большого значения этой “красивой идее”. Для него она была тривиальна. Да и энергии существовавших в то время лазеров для достижения этой цели не хватало.
Время шло, и научный мир постепенно познавал, что же это за устройство такое – “лазер” и чем оно может быть полезно человечеству. В 1965 году нобелевский лауреат, один из первопроходцев в лазерной науке и технике Н. Г. Басов сделал многообещающее предложение ВНИИЭФ. Оно касалось исследований в области “создания лазеров с максимально достижимой энергией”. Руководимый им Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР готов был приступить к постройке мощных химических лазеров на основе фотодиссоциации органических йодидов (ФДЛ). ВНИИЭФ же, в свою очередь, предложил “накачивать” их “светом сильной ударной волны, создаваемой в инертном газе взрывом”.
Для выполнения поставленных задач во ВНИИЭФ было создано отделение под номером 13, возглавил его Самуил Борисович Кормер. С 1982 года и по сей день руководит им Геннадий Алексеевич Кириллов. Сейчас это уже Институт лазерно-физических исследований ВНИИЭФ. С. Б. Кормер и Г. А. Кириллов принимали участие в самом первом совещании, на котором обсуждалась возможность применения лазеров в экспериментах ВНИИЭФ, проведенном Ю. Б. Харитоном… 13 марта 1963 года.
Цифра “13” в названии подразделения смутила энтузиастов лазерного дела только поначалу, со временем все сомнения развеялись, ибо созданная здесь установка на основе йодного лазера “Искра-5” стала не только достоянием института, но и национальной гордостью России. Почему выбран был йодный лазер, а не более распространенный в мире лазер на неодимовом стекле? Имеющийся к тому времени у ВНИИЭФ опыт, а также ряд физико-технических достоинств йодного лазера лишь добавили убежденности коллективу, что такой импульсный лазер с энергией несколько десятков килоджоулей может быть построен на отечественной технологической базе в течение ближайших десяти лет.
Тогда, на заре создания лазерной техники, к работам ВНИИЭФ-ФИАНа присоединился Государственный оптический институт (ГОИ). В результате была разработана и испытана целая гамма фотодиссоционных лазеров. Однако все они грешили одним существенным недостатком: лазер, сделанный из дорогостоящих металлов, вместе с уникальной оптикой в процессе работы взрывался, полностью разрушаясь. Поэтому, естественно, начались работы по созданию установок многоразового использования на основе других источников световой накачки.
Именно использование энергии взрыва для накачки позволило за несколько лет увеличить энергию и мощность излучения этих лазеров в миллионы раз и достичь к началу 70-х таких уровней, которые и поныне вызывают восхищение специалистов. В 1971 году был создан грандиозный фотодиссоционный лазер, до сих пор обладающий рекордными параметрами.
Многоразовые ФДЛ требовали очень мощного и компактного импульсного источника электрического тока. Здесь-то и пригодились взрывомагнитные генераторы, которые в течение многих лет разрабатывались во ВНИИЭФ коллективом под руководством А. И. Павловского для других целей. Отдавая дань справедливости, следует сказать, что у истоков этих работ также стоял А. Д. Сахаров, но это уже другая история. Взрывомагнитные генераторы (иначе их называют магнитокумулятивными генераторами) тоже разрушаются в процессе работы при взрыве своего заряда, однако их стоимость во много раз ниже стоимости лазера. Сконструированные специально для электроразрядных химических лазеров на фотодиссоциации А. И. Павловским с коллегами взрывомагнитные генераторы способствовали созданию в 1974 году экспериментального лазера с энергией излучения в импульсе около 90 кДж.
Из “Искры” в лазерное пламя
Накопленный во ВНИИЭФ опыт позволил начать исследования по проблеме лазерного термоядерного синтеза на основе фотодиссоционных йодных лазеров. При этом требовалось освоить моноимпульсный режим работы, когда длительность импульса находится в наносекундном или даже субнаносекундном диапазоне. Аналогичные работы по исследованию возможностей применения йодных лазеров для термоядерного синтеза были начаты в ФИАНе, а также в институте Макса Планка (ФРГ).
Первый такой лазер с энергией около 25 Дж и длительностью импульсов 3 нс был разработан коллективом ВНИИЭФ в 1973 году. И практически сразу же началось проектирование и создание специальных ФДЛ под общим названием “Искра” с накачкой светом электрического разряда. Работа завершилась созданием в 1980 году установки “Искра-4” с выходной энергией излучения 2 кДж. Но предварил ее запуск в 1976 году одноканальной установки “Искра-3” с энергией до 500 Дж и мощностью почти 0,3 ТВт. “Искра-4” знаменита уже тем, что спустя всего несколько месяцев после ее пуска при обжатии тонкой оболочки в режиме прямого облучения на ней были получены первые в нашей стране термоядерные нейтроны – до двух миллионов в импульсе. После усовершенствования установки ее мощность возросла в тридцать раз, позволив получить рекордный в СССР выход нейтронов – около двух миллиардов в одном импульсе.
Дальнейшее увеличение энергии, вводимой в мишень, потребовало создания более мощной лазерной установки. Ею стала “Искра-5” – крупнейшая в Европе лазерная система с выходной энергией 30 кДж при длительности импульса 0,25 нс, равная по мощности излучения самой крупной в мире лазерной установке на неодимовом стекле “Нова” (США). Но в отличие от “Новы” “Искра-5” базируется на йодном лазере. Источником накачки служит электрический разряд. Ее основные параметры были определены на основе теоретических расчетов, а также из анализа опыта разработки и создания в СССР установок “Дельфин” (ФИАН), “Искра-3”, “Искра-4” и других.
“Искра-5” – это двенадцатиканальная лазерная система, расположенная на четырех этажах специально спроектированного здания каркасной конструкции, имеющего форму креста. Сооружение обеспечивает достаточную стабильность оптических элементов и точность попадания лазерного луча в мишень на уровне 30 микрон. При его строительстве была возведена мощная бетонная подушка. И тем не менее регулярно проводимые геодезические измерения показывают, что здание постепенно поворачивается. При расстоянии 200 метров между конструкциями их взаимное расположение изменилось примерно на миллиметр, но пока это находится в пределах точности аппаратуры.
В центре здания установлена камера с двенадцатью зеркально-линзовыми объективами системы фокусировки излучения на мишень. На плоскостях всех четырех этажей размещены двенадцать одинаковых лазерных каналов, каждый из которых состоит из пяти идентичных усилительных каскадов с коэффициентом усиления 100, разделенных пространственными фильтрами и жидкостными оптическими затворами. Излучение лазера, расположенного на первом этаже здания, расщепляется с помощью системы деления на равные пучки и подается по этажам здания на все усилительные каналы. Из последних усилителей длиной 8 метров вырываются лучи диаметром 70 сантиметров, которые фокусируются объективами на поверхности мишени почти в точки – кружки размером 100 микрон, практически достигая теоретического предела – 60 микрон. Систему накачки питает конденсаторная батарея, запасающая энергию 67,3 МДж, которая разряжается за 35 микросекунд. Суммарная мощность лазера достигает 100 ТВт (1014 ватт). Это мощность всех электростанций на Земле.
Понятно, что, когда огромный световой “блин”, размером в 70 сантиметров, схлопывается в “волосок”, возникает чудовищная плотность мощности, примерно 1016 Вт/см2. Это очень большая величина, никакой материал такого воздействия не выдерживает и мгновенно ионизуется. Образуется лазерная плазма, появляется рентгеновское излучение, которое взаимодействует с веществом.
К сожалению, “скорострельность” подобной системы очень низка. Это связано с тем, что в йодных лазерах каждый раз после срабатывания требуется замена газовой среды. Цикл перезаполнения газом одного канала занимает как минимум сутки. То есть, грубо говоря, одним каналом удается “стрелять” один раз в день, а двенадцатью каналами одновременно – только раз в неделю. К тому же после “выстрела” очень много времени уходит на то, чтобы понять, что же в результате получилось.
“Искре-5” в конце 2002 года исполнилось тринадцать лет. С 1990 года на ней идут планомерные эксперименты с термоядерными мишенями, продолжаются работы по изучению инерциального термоядерного синтеза с целью создания новой энергетики и в смежных направлениях. Это, прежде всего, модельные исследования: физические процессы, происходящие в микромишени и в ядерных зарядах, весьма близки. Кроме того, мощные лазерные системы позволяют проводить эксперименты в области лабораторных рентгеновских лазеров, сверхсильных световых полей, ускорения микрочастиц и т. д.
Одним из перспективных исследований, проводимых на установке “Искра-5”, стало изучение переноса рентгеновского излучения в замкнутых объемах – одного из основных физических процессов в мишенях инерциального термоядерного синтеза. По мере совершенствования лазеров в институте постоянно идут и теоретические разработки термоядерных мишеней. Например, еще в 60-х годах внииэфовцы рассчитали мишень с внутренним вводом рентгеновского излучения, а в зарубежной литературе сведения о них появились значительно позже.
Наиболее перспективными сегодня считаются три типа мишеней. В мишенях прямого облучения, как следует из названия, стеклянная оболочка, содержащая смесь дейтерия с тритием, непосредственно облучается лазерным светом. В мишенях с обращенной короной (они были предложены сотрудником ВНИИЭФ В. Г. Рогачевым) высокая температура вещества достигается при его “схлопывании” в центре мишени после испарения ее внутренней стенки. В мишени непрямого облучения лазерная вспышка фокусируется в ее полости, на стенках которой свет превращается в рентгеновское излучение, облучающее капсулу с газом в центре мишени. При этом достигается наилучшая однородность облучения, позволяющая получать высокую плотность вещества. Мишени непрямого облучения исследуются на основных установках мира: в Ливерморе, Осаке, Сарове.
На “Искре-5” в настоящий момент исследуются различные типы мишеней. Конструкция мишени непрямого облучения со сферическим боксом-конвертором, дающая наиболее высокую и стабильную однородность рентгеновского излучения, успешно проходит испытания. Она была создана для исследований по физике плазмы и лазерному термоядерному синтезу и уже позволила российским физикам получить рекордную симметрию (уровень неоднородности почти 3%) рентгеновского поля на мишени и провести уникальные исследования сжатия оболочек с топливом как в симметричных, так и в специально созданных асимметричных условиях. Это позволяет начать систематические исследования влияния крупномасштабной асимметрии капсулы на работу мишени в целом. В будущем предполагается использовать подобную конструкцию для других видов экспериментов, например для исследования турбулентного перемешивания в многослойных оболочках.
На “Искре-5”, кроме работ по термоядерному синтезу, ведутся исследования по другим направлениям физики, например по созданию лабораторного рентгеновского лазера. Зарегистрирована генерация рентгеновского лазерного излучения с длиной волны 19,6 нм в германии, а это – первая в России демонстрация работы лабораторного рентгеновского лазера. Новым интересным направлением стало изучение черенковского излучения, возникающего при наклонном падении рентгеновского импульса на металлическую поверхность. Совсем недавно на “Искре-5” был проведен цикл исследований, в ходе которых впервые в мире получена генерация мощного направленного электромагнитного излучения широкого спектра.
