Специалисты американского Национального центра зажигания впервые преодолели энергетический барьер термоядерного синтеза. В ходе последних экспериментов выделенная топливом энергия почти в полтора раза превысила ту, что топливо поглотило. После нескольких лет неудач новые результаты выглядят как настоящий прорыв в термоядерном синтезе. Почему многие специалисты смотрят на эти результаты скептически и чего ждать от экспериментов NIF в будущем — в этих и других вопросах разбиралась «Лента.ру».
Бледно-бежевый ангар NIF расположен в нескольких километрах от побережья залива Сан-Франциско, в правильном квадрате Ливерморской национальной лаборатории. Эта лаборатория с семью тысячами сотрудников и площадью в два с половиной квадратных километра — один из двух ключевых американских центров, где разрабатывается и тестируется ядерное оружие (второй центр — Национальная лаборатория в Лос-Аламосе). Ядерным разработкам NIF, собственно, и обязан своим возникновением.
Из двойного назначения экспериментальной установки секрета никогда не делалось — эксперименты, которые проводились в центре, должны были стать заменой реальным ядерным испытаниям, запрещенным договором 1996 года.
В ангаре, занимающем площадь трех футбольных полей, расположены 192 лазера фантастической мощности — общими усилиями они развивают 500 тераватт. И хотя вся эта мощность приходится всего лишь на пикосекундный импульс, выделяющейся при этом энергии было бы достаточно для мгновенного закипания примерно пяти литров воды. Такой энергией импульса не обладает ни один другой лазер на Земле.
Сердцем NIF является шарообразная камера, в которой 192 лазера фокусируют свои лучи на золотой капсуле, похожей на крошечную консервную банку без дна и крышки. Капсула называется немецким словом хольраум (Hohlraum, «полость») и служит переизлучателем энергии лазеров (хольраум, как аналог абсолютно черного тела, делает излучение более симметричным). Внутри хольраума находится полая пластиковая бусина диаметром около двух миллиметров и стоимостью в миллион долларов. Именно в ней содержится топливо для термоядерного синтеза — смесь изотопов водорода, трития и дейтерия. Топливо не заполняет капсулу целиком, а представляет собой только 70-микрометровый иней на ее внутренней поверхности. Чтобы получить этот иней, капсулу приходится охлаждать почти до температуры абсолютного нуля — тепло отводится держателями капсулы.
Вся эта сложная система создана с одной-единственной целью — сжать смесь дейтерия и трития до давления, втрое превышающего давление в центре Солнца, и «зажечь» термоядерную реакцию.
Формально термоядерные реакции могут происходить даже при комнатной температуре. В достаточно большом объеме дейтерия и трития всегда найдется пара молекул, имеющих настолько высокую скорость, что при столкновении их ядра могут слиться в ядро гелия с испусканием лишнего нейтрона и энергии. Другое дело, что вероятность этого процесса настолько мала, что даже в центре коричневых карликов — планет, масса которых в десятки тысяч раз превосходит массу Земли, — такие реакции не происходят со сколько-нибудь значительной скоростью.
Критерием, который отделяет коричневые карлики от звезд и отличает «работающую» термоядерную реакцию от «неработающей», является зажигание. Под зажиганием физики подразумевают создание условий, при которых термоядерная реакция поддерживает сама себя, то есть когда энергии, выделившейся при слиянии ядер трития и дейтерия, достаточно для стимуляции слияния новых ядер. Фактически это хорошо известный термоядерный взрыв в миниатюре. Сложность заключается в том, чтобы перевести термоядерное топливо из режима взрыва в режим спокойного горения.
Для того чтобы термоядерная реакция могла поддерживаться, необходимо, чтобы интенсивность вырабатывания энергии была равна или превышала ту скорость, с которой энергию уносят разлетающиеся продукты реакции и излучение. Иначе, какой бы толчок мы ни придали реакционной смеси, реакция очень быстро потухнет. Эта интенсивность, в свою очередь, определяется концентрацией ядер дейтерия и трития, которые имеют достаточную собственную энергию для того, чтобы вступить в реакцию.
Условия поддержания термоядерной реакции определяются так называемым критерием Лоусона, сформулированным английским физиком Джоном Лоусоном в 1955 году. Неравенство (Nt > ~1020, где N — концентрация частиц в кубическом метре, а t — время в секундах) связывает давление плазмы и время ее удержания как произведение величин, которое должно быть выше некоей константы. Эта константа называется коэффициентом Лоусона и зависит от типа ядер и скорости потери энергии. Из этого неравенства следует, что есть два пути для достижения зажигания: либо увеличение давления, либо увеличение времени удержания.
Исторически первым ученые стали исследовать подход, основанный на длительном времени удержания — ведь только он сулит возможность создать постоянно «горящую» термоядерную реакцию, которую можно удобно использовать для получения энергии. Пионерами этой области считаются советские физики Олег Лаврентьев, Андрей Сахаров и Игорь Тамм. Благодаря ученику Курчатова Игорю Головину скромный список русскоязычных заимствований в английском пополнился словом «токамак» (тородоидальная камера магнитная, «г» поменяли на «к» ради благозвучия).
Идея заключалась в том, чтобы удержать кольцо плазмы магнитами при небольшом давлении в течение длительного времени и добиться таким образом возникновения самоподдерживающейся реакции. Параллельно над подобной, но в итоге менее удачной магнитной камерой (стелларатором) работал Лайман Спитцер. Первые токамаки были построены в СССР. Сейчас множество подобных установок существует по всему миру. Наиболее впечатляющий токамак, ITER, строится совместно ЕС, Россией, Индией, Китаем, Кореей, США и Японией. Недавно к ним присоединился Казахстан. Установка должна быть построена на юге Франции к 2020 году.
История постройки токамаков — это история борьбы человека с плазмой. Удержание плазмы было главной сложностью еще при создании для первых токамаков, и до сих пор эта проблема не решена. Дело в том, что, как бы равномерно магнитное поле ни сжимало плазменное кольцо, плазма, как вода, сумеет просочиться и сбросить давление. Магнитное поле каждого нового токамака становилось все мощнее и равномернее, но сделать поведение плазмы стабильным до сих пор не удавалось.
Когда стало ясно, что эта задача не имеет быстрого и простого решения, физики решили применить к термоядерному синтезу альтернативный подход. Если полем удержать плазму топлива сложно, может, попробовать вовсе этого не делать? Идея заключалась в том, что если инициировать реакцию очень быстро, то ее продукты не успеют разлететься в разные стороны просто за счет собственной инерции. Критерий Лоусона, таким образом, будет выполнен не за счет времени удержания, а за счет придания топливу крайне высокого давления за минимальное время. Получить постоянно горящую термоядерную реакцию в таком случае не удастся, но не исключено, что получится сделать реакцию импульсной без возни с магнитами и капризной плазмой. Такой тип ядерного синтеза получил название инерционного.
Сначала для сжатия топлива физики собирались использовать ускорители частиц, электронные и ионные пушки. Со временем выяснилось, что потоки частиц ведут себя не лучше капризной плазмы и равномерного сжатия топлива достигнуть не получается. В начале 1970-х годов практически одновременно в США и в СССР начались работы по созданию пушек на лазерах. Их короткие импульсы как нельзя лучше подходили для создания равномерной ударной волны для сжатия топлива.
Первые результаты по инициации термоядерного синтеза лазерами в мае 1974 года получила частная компания KMS Fusion. С тех пор было построено множество лазерных установок, на которых ученые пытались добиться максимально высокого уровня конверсии топлива. В Ливерморской национальной лаборатории это были такие лазеры, как Argus, Shiva и Nova.
Кульминацией этой серии стала установка NIF, которая по амбициозности своей задачи и просто по размеру не сравнима ни с одним предыдущим лазером. Установку начали строить в 1997 году с намерением достичь наконец условий зажигания. Это слово, ignition, «зажигание», нашло свое отражение в названии NIF и является конечной целью всего проекта. Для того чтобы почти мгновенно сжать топливо практически в точку, ученым пришлось создать самую крупную лазерную установку в мире. Ее строительство завершилось в 2009 году, и уже в июне физики начали первые опыты в рамках «Кампании по зажиганию» (National Ignition Campaign).
Инерционный термоядерный синтез оказался гораздо капризнее, чем первоначально полагали авторы проекта. И дело оказалось даже не в мощности или надежности лазеров (они как раз отработали отлично), а в том, как вело себя топливо при сжатии. Оказалось, что, подобно плазме в токамаках, дейтериево-тритиевое топливо очень сложно сжать настолько равномерно, чтобы удовлетворить критерию Лоусона. Схлопываясь со скоростью в 300 километров в секунду, иней на внутренней стороне капсулы превращается не в шар, а в некое подобие яблока или гантели. Давление, которое при этом достигается, в тысячу раз меньше, чем требуется. Соответственно, и уровень конверсии топлива тоже не слишком высок.
Неудачи, с которыми пришлось столкнуться в ходе «Кампании по зажиганию», привели к тому, что в 2012 году после ревизии Конгресса NIF решено было подвергнуть существенной реструктуризации. Это не подразумевало немедленного закрытия проекта, но отсутствие результатов могло поставить под вопрос его будущее. Новые данные, опубликованные в Nature, позволяют надеяться на то, что будущее у проекта все-таки есть.
Новый подход, который позволил специалистам NIF завершить череду неудач и преодолеть энергетический барьер синтеза, ученые называют «high foot». За этими словами стоит более медленный режим импульса, который делает схлопывание капсулы с топливом более устойчивым. За счет этой стабильности ученым за последние полгода удалось добиться существенного роста энергии, выделяемой топливом. В ходе последнего эксперимента энергия саморазогревания достигла 17 килоджоулей, притом что поглотило топливо всего около 10 килоджоулей.
Преодоление энергетического барьера между поглощенной и выделенной энергией — безусловно, важная веха для физиков (даже учитывая тот факт, что лишь малую долю энергии лазеров топливо действительно поглощает). Однако есть очень существенные основания относиться к этим результатам с осторожностью. Дело в том, что при использовании нового подхода топливо успевает сильнее разогреться, что накладывает ограничение на максимальное давление, которое можно развить в режиме «high foot».
В некотором роде новый подход — это шаг назад. Как пишет сотрудник Сандийских национальных лабораторий Марк Херрманн (Mark Herrmann) в своем обзоре работы ливерморских физиков, никто не знает, как далеко удастся продвинуться с помощью нового метода. Достижение зажигания потребует увеличить эффективность реакции почти в 100 раз. Удастся ли сделать это при наличии ограничений по давлению в новом режиме, непонятно.
Следующая ключевая ревизия NIF произойдет в 2015 году, поэтому ученым надо очень постараться, чтобы к этому времени добиться впечатляющего прогресса. Предсказать итог сейчас невозможно. История термоядерных исследований говорит о том, что для получения результатов в этой области нужно иметь невероятное терпение. И прежде всего им следует запастись даже не ученым, а тем, кто ожидает от этой технологии решения энергетических проблем человечества.