В Ливерморской лаборатории получили больше энергии, чем затратили
Долгожданный научный прорыв, который был предсказан в далеком 1961 году выдающимся советским ученым, нобелевским лауреатом Николаем Басовым, похоже все-таки произвели американские исследователи. Подоспели аккурат к его 100-летнему юбилею, который празднуется 14 декабря. По сообщению издания The Financial Times, учёные из Ливерморской национальной лаборатории США совершили прорыв, впервые получив в результате термоядерного синтеза больше энергии, чем было потрачено на запуск реакции.
Установка NIF. Фото: Ливерморская лаборатория США.
Ученые давно мечтают о приручении термоядерной энергии. По эффективности и безопасности она могла бы заменить все другие источники энергии, включая наиболее эффективные сегодня атомные электростанции.
Если ядерная энергетика была переведена на мирные рельсы уже через пять лет после испытания ядерной бомбы, термояд — аналог солнечных реакций – долго не удавалось приручить. Только задумайтесь — первая водородная (термоядерная) бомба была взорвана 69 (!) лет назад, а земное «солнце» пока еще не запылало.
Справка «МК» Классическая термоядерная реакция происходит при преодолении электростатического отталкивания двух положительно заряженных ядер дейтерия и трития.
Потому так важен результат, о котором сообщила в понедельник заокеанская пресса. В Ливерморской национальной лаборатории осуществлен так называемый инерционный управляемый термоядерный синтез, а именно столкновение дейтерия и трития при помощи самого большого в мире лазера. Американцы произвели взрыв в национальном комплексе National Ignition Facility (NIF) – Национальная система лазерного поджига. В результате было сгенерировано 2,5 мегаджоулей энергии — почти 120 % от затраченного лазером 2,1 мегаджоуля. В Министерстве энергетики США официального заявления пока не сделали, но назвали эксперимент «крупным научным прорывом».
Камера взаимодействия лазерной установки во РФЯЦ-ВНИИЭФ в Сарове. Фото: ВНИИЭФ
– Озвученные американской прессой данные, конечно, еще требуют проверки, но если они подтвердятся, это можно будет считать крупным шагом вперед в деле осуществления термоядерного синтеза, – комментирует информацию директор Физического института им. Лебедева РАН, член-корреспондент РАН Николай Колачевский. – Я только что вернулся с торжественного заседания Президиума РАН, посвященного 100-летнему юбилею выдающегося советского физика Николая Геннадьевича Басова, который руководил нашим институтом с 1973 по 1989 годы. Так вот как раз именно этому великому ученому и принадлежит идея термоядерного синтеза!
– В чем она заключается?
– В равномерном обжатии мишени, под которой понимается термоядерная смесь дейтерия с тритием. То есть, это получение синтеза, аналогичного тому, что происходит на Солнце. Чтобы объединить, так сказать, на первый взгляд необъединимое (все-таки ядра являются одинаково заряженными), надо обеспечить высокую плотность вещества и очень высокую температуру одновременно, чтобы два ядра слились с выделением энергии. Физика процесса была понятна давно, но осуществить ее оказалось не так просто. По замыслу Басова следовало обжать мишень несколькими лазерными пучками с разных сторон. Они бы вызвали нагрев, ударную волну с возникновением плотной плазмы, в которой могут сталкиваться ядра дейтерия и трития. Когда ученые это поняли, скорая идея зажигания мишени с выделением энергии, значительно компенсирующей затраченную, долго грело им душу. Однако эксперименты по сферическому обжатию термоядерной мишени, проводимые в нашей стране (они начинались в ФИАНе в начале 70-х годов на установке «Кальмар») и за рубежом долго ни к чему не приводили. Поэтому сейчас, если подтвердятся полученные на установке NIF результаты, их можно будет считать первым экспериментальным подтверждением идеи Н.Г Басова.
– Что представляет собой установка NIF?
– Если у Басова лазерные лучи фокусировались прямо непосредственно на крохотной мишени, у американцев пучки (их 192) фокусируются не на самой мишени, а на внутренние стенки полого цилиндра. Это устройство – конвертер - преобразует лазерное излучение в рентгеновское. И мишень симметрично, со всей сторон обжимается именно этим излучением. Идея эта оказалась хорошей, сегодня весь мир пошел по этому пути.
Николай Басов.
– На какое время создается реакция?
– На сто миллиардные доли секунды. По сути, это маленький термоядерный взрыв, который отличается от взрыва бомбы тем, что является управляемым.
– Представим, что физики доказали свой успех, подожгли термояд. Что дальше?
– На самом деле, до того, как эта идея дойдет до применения, надо будет решить множество вопросов. Надо будет полученную энергию как-то собрать, преобразовать в тепло. Хоть термоядерная реакция и считается самой чистой из всех ядерных, но сильные потоки электронов, которые активируют окружающие вещества, никто отменить не может. Но самый, пожалуй, главный вопрос заключается в том, действительно ли термоядерный реактор поможет нам вырабатывать дешевую электроэнергию? Ведь когда мы говорим, что получаем на 20% больше энергии по сравнению с затраченной, это верно только по отношению к лазерной энергии, которая попала на мишень. То есть, условно, на мишень попал 1 мегаджоуль, а выделилось 1,2 мегаджоуля. Но на самом деле надо смотреть, сколько установка потребила энергии из розетки. Это будут совсем другие цифры. Все это пока сильно охлаждает мысль о том, что завтра у нас будут фабрики с термоядерными управляемыми реакторами.
– Насколько я знаю, у нас, в Сарове тоже построена подобная лазерная установка, которая поджигает мишень?
– Эта установка строится в настояшее время. И там тоже будет использоваться рентгеновский диапазон излучения для обжатия мишени, как и американцев, но есть свои интересные наработки. Работы пока проводятся на уровне энергии в несколько десятков килоджоулей.. На полный уровень энергии 2.6 мегаджоулей установка, как планируется, выйдет к 2028 году. А вообще работа, связанная с термоядерным синтезом, ведется и у нас, в ФИАНе, и в Национальном ядерном университете МИФИ.
– Какие задачи решаете в ФИАНе?
– У нас проводят тестовые эксперименты для лазера в Сарове и численные расчёты по многомерным математическим программам сжатия мишеней различного типа.
– В чем заключалась основная сложность воспроизведения термоядерного синтеза?
– Их две. Первая — это проблема устойчивости плазмы. На бумаге все было красиво, но жизнь внесла свои коррективы. Оказалось, что в реальности добиться сферического обжатия мишени очень сложно. Второе – не хватало мощности лазеров. По сравнению с первыми экспериментами они сегодня в несколько сотен раз мощнее.
- В Ливерморской лаборатории, кстати, сообщили, что у них не все прошло гладко – от мощного взрыва разрушилось оборудование.
– Это не удивительно. Им придется восстанавливать установку еще довольно долго.
– Расскажите немного о бывшем директоре ФИАНа Николае Басове.
– О нем можно рассказывать бесконечно долго. Но если коротко, многим, чем мы сегодня обладаем, мы обязаны этому человеку. Это и идея термоядерного синтеза, которая воплощается на наших глазах, и спутниковая навигация. Первые стандарты частоты, мазеры и лазеры, – это все его пионерские идеи.
В свете нынешнего времени очень важно понять, какой личностью был Николай Геннадьевич. Судьба выходца из провинциального городка Усмань Тамбовской губернии была непростой. Когда он кончил школу, началась война, и он пошел служить помощником фельдшера. В 30-летнем возрасте он вместе с Александром Прохоровым сформулировал идею принципов мазерно-лазерной генерации, которая привела обоих к Нобелевкой премии. Удивительно, что все идеи, предложенные Басовым воплотились в жизнь, на 100 процентов.