Приведет ли к прорыву в освоении термоядерной энергии успех ученых Ливерморской лаборатории США, и почему этот результат больше обрадует военных, чем энергетиков, RTVI рассказал главный научный сотрудник Физического института Академии наук (ФИАН) Сергей Гуськов.
Сергей Гуськов, главный научный сотрудник Физического института Академии наук (ФИАН). Д.ф.-м.н., руководитель Сектора теории лазерной плазмы Отделения квантовой радиофизики. Научные интересы: взаимодействие лазерного излучения с веществом, кинетические процессы в высокотемпературной плазме, инерциальный термоядерный синтез.
Будущие успехи в управляемом термоядерном синтезе для энергетики многие связывали со строительством в Европе с участием России установки ИТЭР. Однако первое в истории положительное превышение выхода энергии было достигнуто в Ливерморской лаборатории США. Это было ожидаемо?
Да, это был ожидаемый результат. Американские ученые шли к этому 12 лет, последовательно увеличивая выход энергии в термоядерных микровзрывах своих экспериментов.
В чем принципиальные отличия двух схем эксперимента?
Это два разных способа удержания плазмы. В ИТЭРе используется магнитный способ удержания плазмы, в экспериментах Ливерморской лаборатории — инерциальный способ. В основе проекта ИТЭР лежит концепция установки ТОКАМАК (предложенной в начале 50-х годов советскими учёными А.В. Сахаровым и И.Е. Таммом), согласно которой в камере тороидальной формы плазменный шнур создается протекающим через него током и дополнительно нагревается высокочастотным излучением и пучками нейтральных атомов. Магнитное удержание может обеспечить квазистационарное протекание реакции: при плотности плазмы около 1014 на 1 см-3 время удержания составляет секунды.
Инерциальный способ предполагает создание термоядерной плазмы за счет столкновения высокоскоростных потоков вещества в центре сферической мишени, а необходимое для зажигания число реакций синтеза должно произойти за время разлета сжатого и нагретого таким образом вещества. Инерциальный способ относится к импульсному режиму термоядерного горения. Использование излучения лазера для реализации инерциального способа создания и удержания плазмы было предложено Н.Г. Басовым в 1961 году. Таким образом, оба направления магнитное и инерциальное с использованием лазера зародились в Физическом институте им. П.Н. Лебедева.
Басов предложил использовать способность лазера концентрировать в очень малых объемах вещества очень большое количество энергии для создания термоядерной плазмы. При таком способе происходит сжатие очень маленькой сферической мишени с радиусом около 1-2 мм и массой около нескольких миллиграммов. Вещество разгоняется к центру такой мишени до скорости, превышающей 300 км/с и сжимается до плотности 1026 частиц на сантиметр кубический. Это на 12 порядков больше, чем на токамаке! Но удерживается эта плазма в момент удара в центре всего лишь десятки пикосекунд.
Lawrence Livermore National Laboratory
Это символично, поскольку в эти дни в России отмечают 100-летие Басова. А в чем преимущества и недостатки обеих схем?
Главная физическая проблема обоих способов — это неустойчивости процессов, лежащих в основе создания плазмы. В магнитном удержании — это плазменные неустойчивости. В инерциальном — это гидродинамические неустойчивости. Поэтому сжимать мишень необходимо очень аккуратно, обеспечивая высокую степень сферической симметрии воздействия.
Главная техническая проблема — это утилизация термоядерной энергии, которая в реакции изотопов водорода — дейтерия и трития — выделяется в виде энергии альфа-частиц (3.5 МэВ) и нейтронов (14.1 МэВ). Представляется, что в случае лазерного термоядерного синтеза собрать эту энергию окажется легче, поскольку лазер располагается далеко от области выделения энергии.
Расскажите подробнее про американскую схему?
На установке Ливерморской лаборатории имеются 192 лазерных пучка с общей энергией около 2 МДж, которые вводятся в так называемый конвертор — устройство, преобразующее лазерное излучение в рентгеновское. Конвертор представляет собой цилиндр из золота длиной около 9 и диаметром около 6 миллиметров. На торцах цилиндра есть специальные отверстия, через которые вводятся лазерные пучки. Пучки фокусируются на внутренней поверхности этого цилиндра, а в середине конвертора находится термоядерная мишень.
Мишень представляет собой полую оболочку, которая состоит из двух основных элементов — внешнего слоя, так называемого аблятора и намороженного на его внутреннюю поверхность слоя дейтерий-тритиевого льда. Внешняя часть аблятора нагревается рентгеновским излучением, которым заполнен конвертор, до очень высоких температур — около 1 кэВ (около 10 млн. градусов). В результате на поверхности мишени образуется давление порядка 50 мегабар (50 млн. атмосфер). Это громадное давление за короткое время (несколько наносекунд) сжимает неиспаренную часть мишени, включая дейтерий-тритиевое горючее к центру.
В качестве вещества аблятора используется либо пластик, либо бериллий, в последнее время используется углерод повышенной плотности, грубо говоря — алмаз. Радиус всей мишени около одного миллиметра, толщины аблятора и слоя дейтерий-тритиевого льда составляют около 100 мкм.
Очень напоминает знаменитую сахаровскую «слойку» — схему водородной бомбы.
Да, эти схемы имеют один общий инерциальный подход, основанный на использовании рентгеновского излучения. Происхождение рентгеновского излучения разное. В лабораторном эксперименте слой дейтерия и трития ускоряется и летит внутрь мишени, где происходит столкновение плазменных потоков и возникают условия для термоядерного горения — образуется дейтерий-тритиевая плазма с температура около 7 килоэлектронвольт и плотностью около 100 г/куб.см. Вещество летит к центру в течение 3-4 наносекунд, а время удержания и горения плазмы в 100 раз меньше -20-40 пикосекунд. При инерциальном способе удержания дейтерий-тритиевую плазму надо очень сильно сжать, чтобы за короткое время удержания успело произойти необходимое количество реакций синтеза. В последнем эксперименте Ливерморской лаборатории произошло около 1018 реакций синтеза.
Lawrence Livermore National Laboratory
Как меряют энергию на выходе?
Энергия, как я говорил, содержится в альфа-частицах и нейтронах. Нейтроны тормозятся в веществе значительно слабее заряженных альфа-частиц. Они все покидают мишень. Поэтому по измерению числа нейтронов определяется число произошедших реакций синтеза и, следовательно, выделившаяся в этих реакциях энергия.
Энергия, выделившаяся в американском эксперименте, 3 МДж, действительно превзошла энергию лазерных пучков (2МДж). Но для генерации этих пучков потребовалось в сто раз больше энергии. То есть до получения действительно положительного выхода реакции еще далеко?
Да, это так. Это одна из тех проблем, которые в этой схеме нужно будет решать, поскольку КПД лазера, который американцы использовали, меньше 1%. Пока система накачки этого неодимового лазера неэффективна. Но ученые знают, что надо делать, и они работают в этом направлении. Нужно накачивать лазер — создавать инверсную населенность — с помощью излучения полупроводниковых диодов. Диодная накачка позволит повысить КПД лазера в в десятки раз.
Каковы перспективы извлечения мирной энергии в этой схеме и в ИТЭРе?
Вообще говоря, то, что сейчас американцы сделали, к реальной энергетике пока имеет не очень большое отношение. Для энергетического использования надо будет решить много технических проблем, в том числе тех, о которых мы говорили — диодная накачка, утилизация выделяющейся энергии и другие. А вот то, что они продемонстрировали в рентгеновской схеме сжатие мишени и зажигание реакции — это действительно выдающийся фундаментальный результат, который имеет очень серьезные, в первую очередь, военные приложения, особенно учитывая мораторий на испытания ядерных зарядов.
Об этом открытии действительно многие СМИ написали в военном контексте, да и сама Ливерморская лаборатории принадлежит Министерству энергетики США, то есть по сути военным...
В американской прессе мы действительно можем увидеть высказывания ряда известных людей в этой области, которые говорят, что главный результат это не энергетический, в смысле энергетики будущего, а прикладной — для исследования рентгеновского сжатия вещества и поджига термоядерной реакции. Речь идет о том, что в этих экспериментах можно моделировать ряд процессов, которые происходят в реальных взрывных устройствах.
А разве процессы слияния ядер водорода не просчитаны еще 70 лет назад Сахаровым и коллегами?
Важное значение имеет масштаб того устройства, которое мы обсуждаем. Если есть большое устройство, то там одна иерархия процессов, в том числе рентгеновских. Если размеры меньше, что всех как раз интересует, это другая иерархия процессов. Поэтому установка типа Ливерморской — это инструмент исследования законов подобия — масштабирования — процессов рентгеновского зажигания. На разных уровнях масштабирования — это решение целого комплекса научных и технических задач. А основные принципы рентгеновского зажигания, действительно, были сформулированы ранее, в том числе А.Д. Сахаровым.
Lawrence Livermore National Laboratory
Можно ли говорить, что США благодаря этим экспериментам получили некоторое преимущество в военном отношении?
Конечно, ведь они получили инструмент, с помощью которого они много чего интересного посмотрят, научившись сжимать и поджигать такие мишени. Собственно, эти исследования и строительство этой установки преследовало в первую очередь цели, относящиеся к военным приложениям.
Расскажите об аналогичных работах в России и других странах?
После разрухи 90-х годов в стране многое сделано, чтобы сократить отставание в этой критически важной технологии, хотя это было очень непросто. И сейчас в России строится установка с параметрами, даже превосходящими ливерморскую машину. Строится эта установка в Российском Федеральном Ядерном Центре ВНИИЭФ в Сарове. В ней тоже используется неодимовый лазер, энергия которого будет примерно такая же, как у американцев. Эту установку, согласно опубликованным данным, планируется ввести в строй в 2028 году. Если бы не было лихих 80-х и 90-х, то, конечно, конкуренция с американцами была бы более острая, к этому были все основания .
Архитектура строящейся российской установки схожа с американской. Но есть и свои особенности, связанные, например, с тем, что там будет использоваться сферический конвертор. Такой конвертор улучшает симметрию обжатия термоядерной мишени, но в него сложнее ввести лазерные пучки, чем в цилиндрический. Это очень перспективная схема, поскольку для того, чтобы эффективно сжать мишень нужно очень симметрично нагреть ее рентгеновским излучением. Кроме того, система расположения лазерных пучков саровской установки позволит проводить эксперименты не только при облучении мишени рентгеновским излучением (непрямое сжатие), но и при ее облучении непосредственно лазерными пучками (прямое сжатие) — без преобразования лазерного излучения в рентгеновское.
Кроме того, во Франции создается установка LMJ. Это просто близнец американской установки, по образу и подобию которой ее и строили. Насколько я знаю, сейчас эта установка дает около 300 кДж лазерной энергии, в шесть раз меньше, чем американская.
Крупная установка, тоже на неодимовом стекле, строится в Китае.
О создании термоядерного реактора для энергетики ученые мечтают более полувека. Во Франции создается ИТЭР, в который вложено свыше €20 млрд. Если предположить, что настанет тот день, когда первый термоядерный реактор даст первый промышленный ток, то какого типа будет этот реактор?
В США достигнуто зажигание на основе инерциального удержания плазмы в лабораторных условиях. Получен энергетический выход, превосходящий вложенную лазерную энергию. Сам принцип создания и инерциального удержания плазмы с использованием лазерного излучения был подтвержден, ИТЭР пока такого результата не дал. Отталкиваясь от этих двух обстоятельств можно предположить, что у лазерного термоядерного синтеза имеются большие перспективы в развитии термоядерной энергетики.
Павел Котляр
https://rtvi.com/stories/mirnyj-termoyad-dlya-voennyh-v-chem-smysl-livermorskogo-proryva/