Суперлазер для термояда - на старте

SuperLaserAn_050709.jpg

Лазеры существуют без малого полвека. Первый в мире лазер на синтетическом рубине, созданный сотрудником американской корпорации «Хьюз Эйркрафт» Теодором Мейманом заработал 16 мая 1960 года.

Любопытно, что термин «лазер» появился гораздо раньше. Его предложил аспирант Колумбийского университета Гордон Гоулд, который одновременно с несколькими другими физиками и независимо от них придумал квантовый излучатель света (правда, только в теории). Поздней осенью 1957 года это слово появилось в блокноте, куда он заносил свои расчеты и размышления. Гоулд не опубликовал свои выводы и посему не получил заслуженного признания, на которое, бесспорно, мог претендовать. Тем не менее, спустя три десятка лет он добился утверждения своих давних патентных заявок и начал купаться если не в славе, то в долларах.

В тех же самых записках Гоулд предсказал многие возможности применения лазерного излучения и в этом оказался настоящим провидцем. Среди этих прогнозов – лазерная связь, использование лазерного излучения для измерения расстояний, лазерный катализ химических реакций, и многое другое. Гоулд также первым понял, что с помощью концентрированных лазерных лучей можно получать сверхвысокие температуры, способные зажечь термоядерную реакцию. В те времена такая идея выглядела настоящей фантастикой.

Возможно, что теперь она недалека от осуществления. Во всяком случае, так полагают ученые-физики из Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), Министерства Энергетики США. Недавно они завершили монтаж исполинского комплекса лазерных излучателей, на котором будут проводить эксперименты по запуску управляемого термояда.

Эта установка называется National Ignition Facility (NIF) – Национальная установка для инициирования термоядерных реакций. В российских СМИ можно найти еще один вариант перевода – Национальный лазерный комплекс для имитации ядерных испытаний. Оба названия правильно отражают задачу исследований. Дело в том, что на NIF будут также проверять компьютерные модели ядерных взрывов. Поэтому этот проект финансируется Национальным управлением ядерной безопасности, которое отвечает за хранение ядерных боеголовок.

SuperLaser_050709.jpg Самый большой в мире «трехэтажный» лазер (Комбинированная фотография: LNL)

SuperLaser2_050709.jpg Комплекс NIF (Фотография: LNL)

Первый в мире лазер проф. Меймана был размером с авторучку. А вот NIF занимает десятиэтажное здание, построенное на участке площадью в три футбольных поля. Этот комплекс может одновременно генерировать 192 ультрафиолетовых лазерных луча (длиной волны 351 нм) с суммарной энергией почти в 2 миллиона джоулей. Они будут генерироваться не непрерывно, а импульсно. Поскольку каждая вспышка будет длиться всего 20 миллиардных долей секунды, пиковая мощность излучения составит воистину устрашающую величину – 500 миллиардов киловатт. Этот показатель почти в 500 раз превышает общую мощность всех американских электростанций.

Куда же уйдет эта энергия? Все лучи одновремено скрестятся на золотом цилиндрике величиной с ластик на кончике карандаша. Внутри него будет находиться полый бериллиевый шарик размером с зернышко черного перца. Истинной мишенью лазерных лучей станет начинка этого шарика – смесь дейтерия и трития, тяжелых изотопов водорода. Перед началом эксперимента ее охладят до 18 градусов выше абсолютного нуля – иначе говоря, до минус 255 градусов Цельсия. При такой температуре газовая смесь замерзнет и превратится в лед.

Что должно произойти после включения суперлазера? Сходящиеся ультрафиолетовые импульсы превратят начинку золотого цилиндра в сверхгорячую плазму, испускающую ретгеновские лучи. Это излучение со страшной силой сожмет бериллиевую капсулу – ее стенки мгновенно вдавятся внутрь со скоростью в 300–400 километров в секунду! В результате содержимое шарика разогреется до 100 миллионов градусов и сожмется до плотности, в два с половиной раза превышающей плотность вещества в центре Солнца.

Вычисления показывают, что в таких услових ядра тяжелых изотопов водорода начнут сливаться и превращаться в ядра гелия. Как известно, во время подобных ядерных реакций выделяется энергия. Самое важное, что в соответствии с расчетами выход энергии примерно в 10 раз превысит закачанную внутрь мишени энергию лазерного излучения. В этом случае NIF станет первой в мире термоядерной установкой с положительным энергетическим балансом. Это может произойти очень скоро, уже в будущем году.

Конечно, отсюда никак не следует, что NIF превратят в термоядерную электростанцию. В лучшем случае, ливерморский суперлазер можно будет включать не чаще, чем пару раз в день. Даже если каждая вспышка будет производить 20 миллионов джоулей, этой энергии (с учетом неизбежных потерь) хватит разве что для непрерывного питания единственной электрической лампочки мощностью в сотню ватт. Для того, чтобы построить настоящий термоядерный реактор непрерывного действия, потребуются воспламеняющие лазеры, дающие не меньше десяти импульсов в секунду. И хотя американские физики приступили к обсуждению этого проекта, это дело отнюдь не близкого будущего.

Тем не менее эксперименты на NIF имеют огромную перспективу. В случае успеха они завершатся первым в мире запуском самоподдерживающейся термоядерной реакции с положительным выходом энергии. Таким образом будет доказана принципиальная возможность создания промышленного термоядерного реактора с лазерным поджогом топлива. Кроме того, у ученых впервые появится возможность экспериментально изучать те экстремальные состояния вещества, которые существуют лишь в недрах звезд. Такая информация представляет громадную ценность для астрофизики.

В Ливерморе лазерным термоядом занимаются вот уже почти четыре десятка лет. В 1972 году сотрудник этой лаборатории Джон Николлс теоретически показал, что для того, чтобы поджечь самоподдерживающуюся термоядерную реакцию в смеси дейтерия и трития, ее нужно разогреть лазерным импульсом с энергией не менее миллиона джоулей. С тех пор там строили все более и более мощные лазерные излучатели с экзотическими именами – Янус, Циклоп, Аргус, Шива и Нова. И вот теперь готов NFI, первый лазерный комплекс, удовлетворяющий критерию Николлса. Эксперименты на этой установке начнутся в 2010 году.

Лазерным термоядом интересуются и в других странах, в том числе и в России. Эту идею когда-то совершенно самостоятельно выдвинул Андрей Сахаров, но из-за своего засекреченного статуса не смог ее опубликовать. В 1962 году с этим же предложением выступили будущий академик и лауреат Нобелевской премии Николай Басов и его соавтор, тоже впоследствии действительный член РАН Олег Крохин. В 70-е годы в Физическом институте Академии наук были запущены лазерные комплексы «Кальмар» и «Дельфин». На этих установках вплоть до 80-х годов проводились получившие международное признание эксперименты по лучевому сжатию термоядерного топлива.

В начале 90-х годов эти исследования были продолжены во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики в Сарове. Там были смонтированы лазерные комплексы «Искра-5» и «Луч», на которых тоже проводились многие эксперименты по управляемому термояду. Сейчас в России думают о создании более продвинутой установки «Искра-6», которая будет оснащена имульсным твердотельным лазером с энергией в 300 тысяч джоулей (аналогичную машину собираются построить и в Японии). Так что российские физики работают над проблемой лазерного термояда вполне серьезно и на хорошем международном уровне.

Алексей Левин

http://www.voanews.com/…04-voa12.cfm

https://publicaffairs.llnl.gov/…9-03-06.html

Статья г-на Левина дает хорошее представление о состоянии дел в одном из самых значительных направлений научных исследований, связанных с применением лазеров – излучателей «нанодлинноволновых» пучков. Безусловно, по масштабности строительство NIF можно сравнить и с сооружением синхротронов и крупных рентгеновских лазеров (крупнейших научных строек 21-го века). А вот по эффективности? Представим себе, что удалось получить термояд. Представляете себе, что это будет означать для науки, для человечества, для планеты?

А что думаете Вы- наш читатель?

Евгений Биргер



Категории статьи