Лазер, зажигающий Солнце на Земле
Директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ академик РАН Сергей Гаранин рассказывает о состоянии разработок лазерного термояда в России и в мире
Человечество стоит перед сложнейшей проблемой. С одной стороны, постоянно растущая потребность в энергии, которую пока в основном производят на основе ископаемого топлива, с другой — всё более строгие ограничения на подобное производство, вызванные климатическими изменениями. Пока это противоречие человечество пытается разрешить с помощью альтернативной энергетики. Но, во-первых, ее возможности ограничены, а во-вторых, вид Земли, заставленной многими тысячами ветряков и покрытой тысячами квадратных километров солнечных панелей, тоже не вызывает энтузиазма. Не говоря уже о проблемах их производства, совсем не экологичного, и проблемах переработки отходов этой энергетики. Например, захоронения и переработки лопастей ветряков, утилизации гигантского количества аккумуляторов, которые требуются для накопителей энергии.
Казалось бы, уже давно известно, что все эти проблемы может решить использование управляемой термоядерной реакции, ведь источники этой энергии на Земле, можно сказать, неисчерпаемы, а физические принципы ее получения давно известны. Еще в 19501960-е годы советские физики Лаврентьев, Сахаров, Тамм, Арцимович и другие предложили два основных метода: на основе токамаков и с применением лазеров. Однако техническая реализация обоих методов оказалась настолько сложной, что до настоящего времени создать промышленные образцы таких реакторов не удалось. Тем не менее, инженеры и физики во всем мире не теряют надежды.
Работы над токамаками ведутся во многих странах мира, их уже построено более трехсот. А с 2007 года силами нескольких стран ведется строительство международного токамака в Кадараше на юге Франции, проектирование которого началось еще в конце 1980-х. В то же время работы по созданию термоядерных реакторов на лазерах ведутся, по большому счету, только в двух странах: США и России. В России эти работы сконцентрированы в Институте лазерно-физических исследований Российского федерального ядерного центра — Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в Сарове. Мы попросили ответить на наши вопросы о состоянии лазерного термояда в России и в мире директора этого института академика РАН Сергея Гаранина, который начал нашу беседу с рассказа о термоядерном синтезе в целом.
— Ядерный синтез — основной источник энергии во Вселенной. Превращение ядер водорода в более тяжелые элементы таблицы Менделеева — источник излучения звезд, в частности нашего Солнца. Благодаря ядерному синтезу существует жизнь на Земле. Чтобы легкие ядра вступили в связь и образовали новое ядро, необходимо их сблизить на очень малое расстояние, так как ядерные силы — короткодействующие. Чтобы сблизить два положительно заряженных ядра, надо сообщить им большую скорость, обеспечивающую преодоление кулоновского отталкивания ядер. Самый простой способ сообщить большую скорость частицам — нагреть вещество до высоких температур (как правило, это сотни миллионов градусов). Поэтому этот подход и получил название «термоядерный синтез». Кроме того, состояние с высокой температурой должно поддерживаться достаточно долго, так как вероятность прохождения реакции ядерного взаимодействия очень мала. Такие условия реализуются в звездах, где гравитационное притяжение удерживает вещество звезд неограниченно долго, а выделившаяся при ядерном синтезе энергия поддерживает высокую температуру.
Конечно, состояние вещества при таких высоких температурах не похоже на привычные нам состояния вещества на Земле: твердое, жидкое и газообразное. Говорят, что вещество превращается в плазму, в которой атомы ионизируются, то есть электроны из связанного состояния переходят в свободное, а вещество становится смесью положительно заряженных ядер — ионов и отрицательно заряженных электронов. Именно использование свойств плазмы как нового, четвертого, состояния вещества и стало основой для развития направления управляемого термоядерного синтеза. Если нагрев вещества, в нашем случае изотопов водорода, в принципе понятен, то остается проблема поддержания высокой температуры в лабораторных условиях. Подходы к решению этой проблемы и определили два направления развития управляемого термоядерного синтеза.
— Поясните, пожалуйста, какие это подходы?
— Хорошо известно, что заряженные частицы, помещенные в сильное магнитное поле, двигаются вдоль магнитного поля по спиральным траекториям. Поскольку плазма — это смесь заряженных частиц, то плазма как целое также не может двигаться поперек магнитного поля. На этом свойстве основан принцип магнитной изоляции, или магнитного удержания, горячей плазмы от стенок камеры, который применяется, в частности, в токамаках. Основная проблема реализации принципа магнитного удержания заключается в том, что плазма — крайне неустойчивый объект и пока самые рекордные времена удержания не превышают секунд, а для того, чтобы реакция синтеза стала самоподдерживающейся, то есть чтобы выделившаяся энергия в плазме сравнялась с затраченной энергией на ее создание, требуется время удержания несколько минут.
Другой подход предполагает отказ от попытки удержать горячую плазму. Просто надо создать на короткое время условия, необходимые для эффективного протекания термоядерных реакций, так, чтобы, пока плазма будет разлетаться, успели провзаимодействовать все частицы. Этот подход получил название «инерциальный термоядерный синтез», ИТС. Чтобы реализовать условия горения, необходимо сжать плазму до высоких плотностей, так как скорость горения термоядерной смеси пропорциональна плотности. Для того чтобы сжать термоядерное горючее, его помещают в специальную сферическую капсулу, которую и сжимают различными способами. В зависимости от того, какой способ, или по-другому, драйвер используется, такой тип ИТС и исследуется. Основная проблема ИТС в том, что достижение высоких плотностей сжатия оболочки требует получения высокой однородности воздействия энергии драйвера на ее поверхность.
— А какие типы термоядерных реакций используются в установках управляемого термоядерного синтеза?
— В лабораториях всего мира, и у нас в том числе, пока исследуется один тип термоядерных реакций — взаимодействие двух тяжелых ядер изотопов водорода, дейтерия и трития, так как эта реакция имеет самое высокое сечение взаимодействия и требует минимальной температуры для ее осуществления. При этом образуется ядро гелия и нейтрон. Параллельно дейтерий-тритиевой реакции идет и дейтерий-дейтериевая, в которой образуется либо ядро трития и протон (p), либо ядро изотопа гелия (гелий-3) и нейтрон. Но так как сечение этой реакции в тридцать раз меньше, чем дейтерий-тритиевой, пока ее использование неактуально. В качестве перспективных для будущей термоядерной энергетики предлагается рассматривать ряд безнейтронных реакций, таких как
D+He3®He4+p или p+B11®3He4, но для них требуются существенно более высокие температуры, и пока это весьма далекая перспектива.
— Как и когда занялись термоядерным синтезом во ВНИИЭФ?
— Развитие направления инерционного термоядерного синтеза во ВНИИЭФ восходит к работам Андрея Дмитриевича Сахарова по созданию водородной бомбы. Надо сказать, что испытание водородной бомбы подтвердило принципиальную реализуемость ИТС. Вопрос лишь в том, чтобы масштабировать размеры и массу термоядерного топлива (в сторону уменьшения) с тем, чтобы выделившаяся при таком микровзрыве энергия могла быть утилизирована без разрушительных последствий для окружающей среды. В конце 1950-х — начале 1960-х годов после открытия лазера Андрей Дмитриевич сразу же предложил использовать мощный лазер в качестве инициатора термоядерного горения при обжатии лазерным излучением сферической оболочки, содержащей смесь изотопов водорода — дейтерия и трития. Конечно, в то время это была довольно фантастическая идея, так как мощность лазеров выражалась милливаттами, и потребовались десятилетия развития лазерной техники, чтобы выйти на необходимые для реализации этого подхода уровни энергии лазерного излучения.
Более понятной и, казалось, более простой для реализации была идея газодинамического термоядерного синтеза, ГДТС, попытки осуществления которого предпринимались во ВНИИЭФ несколько десятилетий. ГДТС предполагал сжатие оболочки с термоядерным горючим с помощью обычной взрывчатки. Для достижения высокого сжатия дейтерий-тритиевой смеси были разработаны сложные многокаскадные системы. Однако эти попытки не увенчались успехом, в первую очередь из-за невысокой симметрии инициирования взрывчатого вещества, из-за чего не удавалось получить высокие плотности сжатого термоядерного топлива, необходимые для его зажигания.
Наконец, третьим направлением осуществления лабораторного термоядерного синтеза было использование идеи магнитного обжатия ДТ-плазмы в специальных камерах, известной как МАГО. Если магнитное поле сделать движущимся, как поршень, в камере специальной конструкции, то плазма будет двигаться вместе с ним, сжимаясь и нагреваясь до требуемых для зажигания плотности и температуры — это и есть принцип МАГО. Однако пока это не удалось осуществить.
Лазерные термоядерные мишени прямого (а) и непрямого (б) облучения
Источник: Вестник Академии наук. 2006. Т. 76, № 6. С. 503–513
— А как и когда во ВНИИЭФ перешли к собственно лазерному термоядерному синтезу?
— Разработка мощных лазеров, в частности лазерный термоядерный синтез, ЛТС, как направление инерционного синтеза, во ВНИИЭФ стало развиваться по инициативе Самуила Борисовича Кормера и Юлия Борисовича Харитона в середине 1960-х. Основное преимущество ЛТС по сравнению с другими типами ИТС заключается в том, что лазерное излучение можно сфокусировать в практически неограниченно малый объем. За прошедшие полвека лазерная техника получила мощное развитие. Во ВНИИЭФ был создан цикл мощных импульсных лазеров «Искра» в интересах ЛТС, в которых энергия лазерного импульса последовательно росла от одного килоджоуля в установке «Искра-4» до 30 килоджоулей в «Искре-5». На этих установках были проведены первые эксперименты по осуществлению термоядерной реакции в ДТ-смеси, получены важные экспериментальные результаты и накоплен уникальный опыт по созданию таких установок и их эксплуатации. Все это послужило основой для создания многоканальной лазерной установки нового поколения мегаджоульного уровня энергии, которая создается у нас с 2012 года. Ее прототипом была установка «Луч», которая начала создаваться в конце непростых 1990-х и была запущена в 2005 году. К настоящему времени завершен важный этап создания новой установки — введен в опытную эксплуатацию первый модуль, завершено строительство здания для размещения установки. Модуль поэтапно выводится на расчетный режим.
— Как устроена лазерная термоядерная установка?
— Основное отличие в подходах к осуществлению ЛТС заключается в методах воздействия лазерного излучения на микрокапсулу, или, говоря другим языком, в типе термоядерной мишени. Различают мишени прямого и непрямого воздействия. В первом типе мишени лазерное излучение непосредственно облучает капсулу с термоядерным топливом, что вызывает ее испарение и, как в ракете, неиспаренная часть начинает ускоряться к центру капсулы, вызывая сжатие и нагрев содержащейся в ней ДТ-смеси. Основная проблема в этом методе — обеспечение высокой однородности облучения поверхности капсулы, чему препятствует высокая когерентность лазерного излучения, приводящая к образованию спеклованной* структуры в пятне фокусировки.
* Случайная интерференционная картина, которая образуется при взаимной интерференции когерентных волн, возникающая при когерентном освещении случайно-неоднородных объектов.
В непрямом воздействии капсула с ДТ-смесью помещается в центр бокса-конвертора. Лазерное излучение вводится через специальные отверстия внутрь бокса и облучает его внутреннюю поверхность. В результате лазерное излучение преобразуется в мягкое рентгеновское, которое затем облучает поверхность капсулы. Так как рентгеновское излучение некогерентно, однородность облучения поверхности капсулы достигается выбором геометрии бокса, его габаритами и расположением отверстий. Так, на установке NIF в Ливерморской лаборатории США используются цилиндрические боксы с двумя отверстиями в торцах бокса. Аналогичные мишени предполагается исследовать на установке LMJ во Франции. Соответственно, использование таких мишеней непрямого сжатия накладывает жесткие требования на геометрию расположения объективов на камере взаимодействия, фокусирующих лазерное излучение на мишень. На таких установках можно использовать только мишени непрямого сжатия, и переход к мишеням прямого воздействия невозможен без переделки системы ввода лазерного излучения в камеру взаимодействия.
— Какая конструкция мишени выбрана у вас в институте?
— Для нашей установки выбрана конструкция сферического бокса с шестью отверстиями для ввода лазерного излучения. Данная конструкция была отработана в экспериментах на установке «Искра-5». Было показано, что она обеспечивает высокую симметрию сжатия центральной капсулы, близкую к теоретическим параметрам, полученным по одномерным сферически симметричным расчетным программам. Степень асимметрии распределения рентгеновского излучения на поверхности капсулы не превышает одного процента, что в разы лучше достигнутой асимметрии в цилиндрическом боксе, и не меняется за время действия лазерного импульса. Таким образом, с завершением создания лазерной установки Россия имеет все шансы стать первой, осуществившей зажигание термоядерного топлива в лабораторных условиях. Геометрия расположения объективов на камере взаимодействия обеспечивает работу с мишенями как прямого, так и непрямого сжатия, что существенно расширяет экспериментальные возможности установки.
Сегодня главная задача разработчиков систем термоядерного синтеза — достижение зажигания и КПД больше единицы, когда энергия, выделившаяся в результате термоядерных реакций, превысит предшествующие энергетические затраты. То есть овчинка должна стоить выделки.
Хочу заметить, что наше положение в разработке всех направлений лазерного термояда на мировом фоне представляется вполне неплохим. Строятся новые установки и стенды, выполняются программы уникальных экспериментальных исследований. Правительство поддерживает эти работы. Но нам сегодня нужна более настойчивая и энергичная поддержка именно лазерного термояда.
А эта работа требует каждодневного преодоления сложнейших препятствий, создаваемых природой, как будто специально испытывающей человечество. Таково состояние дел фактически по всем направлениям термояда.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl