Солнце зажгут с помощью лазеров
Американцы скорее всего опередят Европу в гонке за управляемый термояд
2009-04-22 / Андрей Ваганов
Принципиальная схема реализации принципа управляемого лазерного термоядерного синтеза.
Фото с официального сайта Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, lasers.llnl.gov
Буквально с разницей в один день – 31 марта и 1 апреля – произошли два информационных события, внутренняя интрига между которыми еще ждет своего летописца.
Сначала на заседании президиума Российской академии наук с докладом «Начало практических работ по термоядерной энергетике» выступил академик, президент РНЦ «Курчатовский институт» Евгений Велихов. Суть его выступления передаю по официальному пресс-релизу РАН.
Сейчас во Франции, в местечке Кадараш, начинается строительство Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER). В основе проекта – термоядерная установка ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками – тор, «бублик», внутри которого парит в сильном магнитном поле плазменный шнур). Сам принцип удержания миллионноградусного плазменного шнура в магнитном поле предложен еще в 50-х годах прошлого века выдающимися советскими учеными, академиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. ITER – крупнейший международный научно-технический проект, инициатива которого во многом принадлежит СССР (М.С.Горбачев, Е.П.Велихов – 1985 год). В настоящее время участниками проекта ITER являются Европейский союз, Китай, Индия, Япония, Республика Корея, Российская Федерация, Соединенные Штаты Америки. Вклад России в этот проект – 9,09% стоимости сооружения ITER и реализуется в виде изготовления и поставки уникального высокотехнологичного оборудования.
Как отметил при обсуждении доклада доктор физико-математических наук Сергей Мирнов, если бы ITER работал стационарно, он за год выдавал бы 1 гигаватт электроэнергии плюс 2 гигаватта – за счет сгорания ядерного топлива. Это составляет половину мощности Красноярской ГЭС.
Правда, пока говорить об этом можно только в сослагательном наклонении. Сейчас готова площадка для ITER, строятся дорога и административные здания, создано и действует Агентство ITER.
На следующий день, 1 апреля, из США пришло другое информационное сообщение.
В Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии закончено строительство самого мощного в мире лазерного комплекса. Он получил название «Национальная зажигательная установка» (US National Ignition Facility, NIF). Строительство продолжалось 12 лет. На лазерный комплекс было потрачено 3,5 млрд. долл.
В основе NIF – 192 мощных лазера, которые будут одновременно направляться на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития; в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3). Температура мишени достигнет в результате 100 млн. градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд. раз превысит давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени будут сравнимы с условиями внутри Солнца. Возможно, ученым удастся запустить термоядерную реакцию. (Этот способ так и называют: лазерный, или импульсный, термояд.) Начало испытаний NIF намечено на июнь.
Таким образом, речь идет о начале качественно нового этапа принципиального, я бы даже сказал – идеологического (в смысле научной идеологии), спора. Чей путь к управляемой термоядерной реакции, а следовательно, к термоядерной энергетике, окажется короче и эффективнее: токамаковский или импульсный, лазерный. До сих пор ученые могли приводить лишь «точечные» экспериментальные данные и теоретические расчеты в пользу того или другого варианта. Теперь, чуть больше чем через месяц, нас ждет начало полномасштабных физических экспериментов. По крайней мере на одной из конкурирующих установок. Но, повторю, чей путь приведет к «термоядерному раю», оценить пока трудно. Впрочем…
«Как раз это-то можно сделать, – подчеркнул в беседе с корреспондентом «НГ» доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Физического института Академии наук (ФИАН) Сергей Гуськов. – Американцы осуществили физический запуск установки. Еще в конце января 2009 года появилась информация о том, что они поставили последний оптический элемент в этой огромной установке – NIF.
Там этих оптических элементов – тысячи. Тем самым установка была сформирована полностью. Ливерморская Лоуренсовская национальная лаборатория – это крупнейший американский ядерный центр, военная лаборатория. Аналогия – наш ядерный центр в Сарове. Они должны были сдать комиссии установку в марте этого года. Это и произошло».
Эксперты предсказывали, что «обжатие» лазерными пучками мишеней вызовет и микровзрывы с энергией около 10 мегаджоулей (МДж). Плотность лазерного излучения достигает при этом примерно 1015 ватт/см2. Энергия самого лазерного луча при этом составит около 1 МДж (см. «НГ-энергию» от 12.08.06).
И вот американцы осуществили «выстрел» всеми элементами лазера на энергию 1,2 МДж. «Это самый крупный лазер в мире, – поясняет Сергей Гуськов. – Общая площадь всего лазерного комплекса равна трем футбольным полям. Лазер на 12 килоджоулей есть в Японии, те же 12 килоджоулей – у нас в Сарове, установка ИСКРА. То есть разница – три порядка, в тысячу раз. Но самое любопытное, что и лазерный термояд – это наше! Идея инерциального термоядерного синтеза была сформулирована в 1962 году академиком Николаем Геннадьевичем Басовым и, тогда еще не академиком, Олегом Николаевич Крохиным. Басов выступал на сессии Академии наук СССР и определил лазерный термояд как одно из направлений управляемого термоядерного синтеза. Было даже сформулировано, какая мощность лазера должна быть…»
Надо заметить, что и в ФИАНе велись очень серьезные работы по лазерному термояду. Здесь в 1968 году были выполнены первые эксперименты в этой области. Правда, тогда использовалась не сферическая мишень, а плоская. «У нас были две отличные установки – КАЛЬМАР (на энергию 100 Дж – для экспериментов), потом – ДЕЛЬФИН, на 3 кДж. У американцев и японцев в то время было все то же самое», – рассказывает профессор Гуськов.
Можно, конечно, спорить: какой из термоядов – на основе ТОКАМАКов или лазерный – красивее по физике процесса и проще по инженерно-технологической реализации. Но как бы там ни было, пока к строительной площадке для ITER строится дорога, реактор NIF уже начнет работать через месяц.
Не последнюю роль в такой развязке сыграло то обстоятельство, что магнитное удержание плазменного шнура в тороидальной камере – это полностью гражданская программа. С лазерным термоядерным синтезом – все по-другому.
Сферическая камера установки термоядерного синтеза NIF. Вид изнутри. Источник: antonares.net |
«Если хотите, – это просто маленькая водородная бомба, – поясняет Сергей Гуськов. – Сумеете равномерно обжать мишень со всех сторон лазерным излучением – и вы получаете многие процессы, которые идут при термоядерном взрыве. Хотя по масштабу, конечно, это значительно меньше. Но сам принцип – это одно и то же. Специалисты это сразу поняли: да, есть гражданское применение – можно получить положительный выход энергии (вложили столько-то, а получили в десятки раз больше); но есть и военное применение. И у нас, и у американцев эти работы велись совсем в другом режиме».
По некоторым данным, намеченный на 2016 год физический пуск ITER может быть передвинут на 2018-й. И это не связано с мировым экономическим кризисом. Проблема – в политике. В этой программе изъявили желание участвовать 12 стран. Некоторые из этих государств – хотя они и не готовы к этому – стремятся получить себе часть заказов на изготовление компонентов для ITER. Это сулит научно-технические и технологические выгоды. Объединенная Европа никого не может обидеть – ищется компромисс.
А в Ливерморской национальной лаборатории уже имеется готовая к физическому пуску экспериментальная установка. «Могут быть трудности, – соглашается профессор Гуськов. – Они могут отодвинуть пуск на год-два… Но я не верю, что до 2018 года американцы не опередят европейцев с их ITER».
Вообще-то этот результат сам по себе не совсем тривиален. В последние годы общество уже привыкло и принимает за данность, что современная Большая Наука – это дело больших международных проектов и коллабораций. Большой адронный коллайдер (LHC) в Европейском центре ядерных исследований в Женеве, пуск которого все откладывается и откладывается, наиболее яркий пример в этом ряду. Но вот, оказывается, что национальные исследовательские проекты и программы в каком-то смысле более эффективны.
– То есть американцы тут не блефуют: они действительно вполне способны запустить свой NIF, как наметили, в июне? – интересуюсь я у Сергея Гуськова.
– Что вы, какой блеф! Все серьезно.