Крупнейший лазер направил тераватты на кончик ядерной иглы

Три десятилетия исследований, проводимых в разных странах, вскоре будут, образно говоря, сконцентрированы в этом маленьком цилиндрике. Сконцентрированы в виде лучей общей мощностью в 500 тераватт! (фото NIF)

"Национальная спичка" – так вольно можно перевести название этой грандиозной лазерной установки. На днях было завершено её многолетнее строительство, увенчавшееся пробным пуском примерно на половине мощности. Вскоре «спичка» впервые зажжёт 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?

NIF является составной частью знаменитой Ливерморской лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), выглядящей с воздуха словно небольшой город. А на этом снимке мы видим здание собственно NIF, превосходящее по размеру футбольный стадион.
Внизу: общая схема NIF. Два протяжённых зала с лазерными установками (1 и 2) генерируют колоссальный поток лучистой энергии, сводимый, в конце концов, в 10-метровую камеру-сферу (3), в самом центре которой находится миниатюрная мишень (фото NIF и с сайта wikipedia.org).

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 ITER, строительство которого международное сообщество ведёт сейчас во Франции, считается венцом в своей области, NIF представляет собой самую мощную и сложную установку для ICF.

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.

Принцип прямого сжатия и розжига мишени. Справа: микросолнце, горящее в установке Nova — предшественнице NIF, созданной также в Ливерморской лаборатории, но намного раньше – в 1984 году.
Nova не достигла своей цели – самоподдерживающейся цепной термоядерной реакции, позволяющей использовать большую часть тяжёлого водорода, заключённого в мишени. Но зато она первой в ряду похожих систем близко подобралась к этому знаковому барьеру и обозначила ряд проблем (магнитогидродинамическая нестабильность сжимающегося шарика), которые и призвана решить установка NIF (иллюстрация NIF и фото с сайта wikipedia.org).

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 приведёт к сильному сжатию мишени и её разогреву до температуры запуска термоядерной реакции.

Причём реакция, начавшись в центре мишени, распространится наружу во внешние, более холодные её 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.

NIF. Оцените масштаб установки (обратите внимание на людей на обоих снимках). Вверху: один из двух залов с лазерами. Всего в NIF мишень обстреливает 192 (!) ультрафиолетовых лазера. Эти лучи направляются в центр огромной целевой камеры (внизу), где специальный держатель («карандаш» справа) фиксирует миниатюрный термоядерный заряд. На нижнем кадре также видна обслуживающая платформа, выдвинутая для осмотра системы (фотографии NIF).

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 её прямое попадание лазеров.

Устройство цилиндра hohlraum ("полость, «пустая комната» по-немецки) и принцип опосредованного подрыва топливного шарика (иллюстрации NIF).

Благодаря мгновенному испарению внешнего слоя шарика последний сжимается так, что плотность вещества в нём 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.

Топливная капсула насчитывает в диаметре около 2 миллиметров и несёт в себе 150 микрограммов смеси дейтерия и трития. Капсула выполнена в основном из полимера, но в ней есть тонкий слой замороженного (при температуре 18 Кельвинов) льда из тяжёлых изотопов водорода.
Абляционный слой снаружи капсулы может быть также полимерным, но как перспективный вариант исследователи в Ливерморской лаборатории намерены испытать и слой из бериллия или сплава бериллий-медь. Помимо надежд на большую стабильность сферы в момент сжатия, эти материалы предполагают возможность длительного хранения топливных шариков при комнатной температуре (когда водород внутри будет находиться в виде газа) с замораживанием непосредственно перед экспериментом (фото с сайта wikipedia.org).

Любопытно, что физики уже умеют при помощи лазеров нагревать вещество аккурат до температуры центра Солнца, то есть до 10 миллионов градусов. Почему же для розжига реакции синтеза в дейтерий-тритиевой мишени нужно поднять эту планку ещё в 10 раз?

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 своё 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.

Вверху: настраиваемое зеркало с 39 актуаторами, часть системы. В центре: 363-килограммовый кристалл дигидрогенфосфата калия – пример того, сколько новых технологий пришлось разработать, чтобы построить NIF. Такой кристалл научились выращивать за два месяца против двух лет при традиционных методах. Несколько же таких кристаллов были распилены для создания свыше 600 тонких пластин преобразователей частоты. Они конвертируют исходный сонм ИК-лучей (с общей энергией до 4 мегаджоулей, между прочим) в «финальные» 1,8 мегаджоуля УФ-потока.
Хотя КПД этого процесса невысок – ультрафиолет гораздо лучше испаряет мишень, поскольку инфракрасное излучение (если бы применяли его напрямую) без толку «пропадает» в горячих электронах цели. Внизу: монтаж одного из модульных элементов лазерного усилителя (на основе гигантских цельнолитых пластин из неодимового стекла), накачиваемого импульсными вспышками, питаемыми от армии конденсаторов (фотографии NIF).

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 счёте попадает в строго отведённую ему точку на внутренней поверхности золотого контейнера, где создаёт «солнечный зайчик» диаметром 50 микрометров.

Хотя главная цель NIF – довести до идеала принцип опосредованного «удара» по водородной мишени, система способна перенастраиваться на прямое облучение топливных шариков без золотых контейнеров. В этом случае вместо создания двух световых конусов (как на этом рисунке) оптику перефокусируют так, что все ультрафиолетовые лучи сойдутся в центре камеры. Вообще же установка призвана проверить множество версий мишеней, чтобы узнать – какая лучше подойдёт для гипотетической промышленной установки синтеза (иллюстрация NIF).

Интересно, что на полной мощности установка генерирует лучи, которые в сумме несут к цели 1,8 мегаджоуля энергии (так что нынешний запуск всех лазеров прошёл 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, заключённой 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 даёт намного более равномерное облучение всех боков шарика, чего и добиваются учёные.

Принцип промышленной электростанции на основе лазерного синтеза. Одна мишень должна стоить порядка 25 центов, сообщает NIF, а генерировать порядка 300 мегаджоулей энергии (иллюстрация NIF).

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 своём роде, на которой энергетический выход от реакции синтеза превзойдёт энергетические затраты на её 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 ещё в два с лишним раза.

Держатель для мишени (самый кончик) и система проверки её позиционирования (его точность должна составлять долю от толщины человеческого волоса) в камере NIF. Внизу: выдвинута оптическая инспекционная система, служащая для проверки ориентации и фокусировки каждого лазера (фотографии NIF).

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 её 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 её 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 ещё – «пушка», стреляющая на скорости в 10-100 м/с мишенями точно в центр камеры (это сейчас мишень филигранно устанавливают неподвижно на конце гигантской «иглы»).

Зал управления NIF. Компьютеры, собранные тут, проверяют весь комплекс по 60 тысячам «контрольных точек». Это периферийные электронные системы, высоковольтное оборудование, актуаторы многочисленных зеркал и линз, датчики потоков энергии, видеокамеры, лазерные усилители и разнообразные диагностические инструменты (фото NIF).

Всё это в том или ином виде должно быть проверено на другой опытной установке по ICF — европейский проект Hiper (High Power Laser Energy Research), пока существующий только на бумаге, обещает стать ещё более мощным, чем NIF.

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 произойдёт 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.



Американцы испытали боевой лазер рекордной мощности

24 марта 2009

Ультрабыстрые лазеры запечатлели движение электронов

6 ноября 2008

Американцы выводят на рынок гражданскую противоракетную систему

4 апреля 2008

Испытан самый яркий лазер во Вселенной

18 февраля 2008

Новый лазер обходит капризы квантовой физики

28 января 2008