Крупнейший лазер направил тераватты на кончик ядерной иглы
«Национальная спичка» – так вольно можно перевести название этой грандиозной лазерной установки. На днях было завершено ее многолетнее строительство, увенчавшееся пробным пуском примерно на половине мощности. Вскоре «спичка» впервые зажжет термоядерные реакции в шарике-мишени. На краткое мгновение на Земле появится очень маленькая «ручная» звезда.
10 марта 2009 года американская «Национальная установка зажигания» (National Ignition Facility – NIF) произвела рекордный световой импульс в 1,1 мегаджоуля. При этом лучи системы в сумме несли в 25 раз больше энергии, чем импульс любого другого лазера, заявил директор NIF Эдвард Мозес (Edward Moses).
Вспышка длилась миллиардные доли секунды и послужила салютом в честь завершения строительства одной из самых сложных экспериментальных установок человечества. NIF – крупнейшая лазерная система на планете – должна наконец ответить на вопрос: возможно ли на практике приручить термоядерные реакции при помощи лазерной технологии?
Управляемый термоядерный синтез с инерциальным удержанием плазмы (Inertial confinement fusion – ICF) – альтернатива системам с магнитным удержанием (это токамаки и стеллараторы).
И подобно тому, как знаменитый токамак-гигант
Кстати, интенсивные работы в этой сфере ведутся в разных странах примерно 30 лет, а конкретно проект NIF насчитывает уже 15-летнюю историю, из которых на возведение комплекса ушло 12 лет (и, заметим, примерно $4 миллиарда).
Познакомимся же с ним поближе.
Основной принцип ICF, также именуемый лазерным синтезом, прост. Сосредоточьте свет от множества мощных лазеров на маленькой мишени из смеси дейтерия и трития. Мгновенное испарение внешнего слоя создаст реактивную силу, направленную к центру, что приведет к сильному сжатию мишени и ее разогреву до температуры запуска термоядерной реакции.
Причем реакция, начавшись в центре мишени, распространится наружу во внешние, более холодные ее слои намного раньше (буквально в наносекунды), чем весь сжатый материал разлетится в стороны. Потому данный метод удержания горячей плазмы и назван инерциальным.
Однако предыдущие опыты показали, что даже с большим числом лазеров прямым облучением со всех сторон трудно добиться равномерного сжатия мишени, а это – ключ ко всему.
Микроскопические неравномерности, буквально неуловимые глазом, приводят к тому, что горячая плазма «расплескивается», прежде чем ударная волна внутри шарика запустит цепную и устойчивую реакцию синтеза. И даже если некоторые из ядер дейтерия и трития в момент такого «удара» сольются (а такое в прежних опытах, в частности на установке Nova, уже происходило) – общая цель не будет достигнута.
Потому в ряде предыдущих родственных установок, а теперь и в самой NIF используется другой метод создания равномерного облучения мишени – так называемый непрямой привод (indirect drive). Заключается он в том, что лазеры направляют не в саму мишень с ядерным топливом, а в специальный полый цилиндрик под названием hohlraum (его вы видите на снимке под заголовком), выполненный из золота, внутри которого на полимерной распорке и подвешен топливный шарик.
Мощный импульс лазеров, попадающий через торцевые отверстия на внутренние стенки цилиндра под точно рассчитанным углом, превращает его в плазму, которая окутывает топливный шарик и успевает выдать мощный импульс рентгеновского излучения, прежде чем разлетится прочь. Рентген и взрывает главную мишень, не хуже, а даже эффективнее, чем взорвало бы ее прямое попадание лазеров.
Благодаря мгновенному испарению внешнего слоя шарика последний сжимается так, что плотность вещества в нем подскакивает до 1 килограмма на миллилитр (то есть окажется примерно в 100 раз выше плотности свинца). Температура же вырастает до 100 миллионов градусов – это выше, чем в центре звезды. Такова теория ICF.
Любопытно, что физики уже умеют при помощи лазеров нагревать вещество аккурат
Причина – давление. В солнечном ядре оно намного выше, чем в водородном шарике, потому и температурные условия для поддержания термоядерного синтеза в нашей родной звезде – более мягкие.
Лазерная система – главная гордость NIF. Ведь к ней предъявлены феноменальные требования. Достаточно сказать, что оборудование, занимающее десятки и десятки метров и весящее десятки тонн, смонтировано в залах лаборатории с точностью в 100 микрометров.
Все 192 УФ-лазера, обрушивающие поток света на мишень в центре целевой камеры, берут свое начало от одного слабенького инфракрасного лазера, луч которого делится на множество потоков. Каждый из них пробегает в общей сложности по 300 метров, проходя последовательно цепочку из гигантских лазерных усилителей и преобразователей частоты.
Длительность каждого импульса составляет порядка наносекунды – нескольких наносекунд, а согласование времени прихода всех лучей к мишени таково, что расхождение между самым «торопливым» и самым «опаздывающим» импульсом не превышает 30 пикосекунд.
Каждый луч в конечном счете попадает в строго отведенную ему точку на внутренней поверхности золотого контейнера, где создает «солнечный зайчик» диаметром 50 микрометров.
Интересно, что на полной мощности установка генерирует лучи, которые в сумме несут к цели 1,8 мегаджоуля энергии (так что нынешний запуск всех лазеров прошел не на полной «тяге»).
Отметим, что в мире существует несколько импульсных установок, по пиковой мощности сопоставимых с NIF, и даже немного превосходящих американского «монстра», но их вспышки длятся пико- либо фемтосекунды, то есть они на три-шесть порядков короче найфовских. А потому по суммарной энергии, заключенной в луче (или в нескольких лучах, как в NIF), они существенно уступают «суперспичке».
Львиная доля от этих «1,8» преобразуется золотым цилиндром в рентген, но лишь небольшая часть X-лучей оказывается задействована в разогреве и сжатии топливного шарика.
Тем не менее, и этого количества энергии для запуска термоядерной реакции вполне должно хватить. И хотя прямое облучение мишени принесло бы к ней больший энергетический поток, опосредованный метод дает намного более равномерное облучение всех боков шарика, чего и добиваются ученые.
Если цепная реакция в таком шарике будет запущена, он высвободит порядка 20 мегаджоулей энергии или даже несколько больше. Так что NIF должна стать первой установкой в своем роде, на которой энергетический выход от реакции синтеза превзойдет энергетические затраты на ее розжиг.
Улучшение в дизайне мишени и лазерной системы сулит поднятие термоядерного «выхода» с одного взрыва до 45 мегаджоулей (больше не позволят особенности камеры), а установки такого же типа, но уже следующего поколения смогут нарастить этот показатель еще в два с лишним раза.
А дальше? Дальше стоит подумать о промышленных системах такого рода, на которых полученную энергию можно было бы конвертировать в электричество. Как? Очень просто.
Микроскопические солнца в центре камеры при должной частоте взрывов приведут к сильному разогреву ее стенок, а это тепло можно конвертировать в ток в классической паровой или гелиевой турбине (некий теплоноситель, возможно промежуточный, следует пустить внутри стенок сферической камеры).
NIF способна производить один лазерный «выстрел» каждые 5 часов – больше не позволит разогрев оптической системы, приводящий к ее деформации. Но промышленная система лазерного синтеза должна подрывать в центре установки по несколько топливных шариков в секунду.
А значит, потребуется более сложный дизайн лазерного комплекса с мощным охлаждением, а еще – «пушка», стреляющая на скорости в 10–100 м/с мишенями точно в центр камеры (это сейчас мишень филигранно устанавливают неподвижно на конце гигантской «иглы»).
Все это в том или ином виде должно быть проверено на другой опытной установке по ICF – европейский проект
Недавно он получил финансирование на первый этап теоретических работ. Так что его успехи – в будущем, ведь построят Hiper не раньше, чем через 10 лет. А вот первые эксперименты в NIF начнутся уже в нынешнем июне.
Первый же опыт по запуску стабильной цепной реакции синтеза в этой огромной установке произойдет в 2010–2011 году, предсказывает Мозес. Учитывая отставание по времени главного нынешнего соперника NIF по ядерному синтезу – токамака ITER (он заработает где-то в 2016–2018 году) – можно сказать, что Ливерморская лаборатория способна сорвать банк.