Полость, в которой находится капсула с топливом для термоядерного синтеза. Перед лазерным обстрелом её охлаждают до 18 К. (Здесь и ниже иллюстрации LLNL.)
Лазерный термоядерный синтез сделал шаг вперёд
Специалистам Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли удалось получить от лазерного термоядерного синтеза больше энергии, чем было затрачено на его проведение, то есть немного приблизиться к реализации экономически разумной термоядерной энергетики.
Хотя шаг этот выглядит промежуточным — чтобы быть пригодным для большой энергетики, от слияния ядер нужно получить во много раз больше энергии, чем потрачено, — он так долго был недостижим, что казалось, его никогда уже не сделать.
Национальная лаборатория по активации управляемого термоядерного синтеза (
National Ignition Facility, NIF
) обладает мощнейшим на сегодня комплексом из 192 лазеров, при одновременном использовании которых общая энергия пучков достигает 1,8 МДж, воздействующих на крохотную мишень миллиардные доли секунды. Сама мишень содержит в себе маленькую сферу из замороженных дейтерия и трития, которые находятся внутри пластикового аблятора (оболочки, испаряющейся после обстрела мишени). В 2009?2012 годах итоги работы NIF были много слабее ожидавшихся: оказалось, что наши теоретические представления об эффективности и проблемах инерциального синтеза весьма неполны.
В ту пору физики
решили
избежать проблем с неравномерным сжатием дейтерий-тритиевой мишени: вместо одного мощного импульса, сразу разогревавшего мишень (после чего та излучала в рентгеновском диапазоне, тем самым испаряя аблятор, то есть разрушая «стенки», и начинала быстро расширяться, из-за чего давление падало), они постепенно нагревали её — без резкого одиночного скачка.
Ранее таким образом удалось достичь обнадёживающих результатов — отдачи в 14 кДж и 17 кДж от одного лазерного «выстрела» при общей энергии импульсов, обрушившейся на мишень, в 10 кДж. Эти цифры могут показаться не согласовывающимися с названной выше мощностью лазеров, почти равной паре мегаджоулей, но в действительности противоречия нет. И импульсы, и термоядерная реакция шли буквально доли секунды, из-за чего и затраты энергии, и отдача были сравнительно умеренными, несмотря на всю мощность установки.
Как замечает член исследовательской группы NIF Пол Шпрингер (Paul Springer), впоследствии в одном из опытов использовался ещё более плавный нагрев мишени. Эта мысль, наверное, может показаться контрпродуктивной: если заранее нагреть предмет, то потом сжать его импульсно будет куда труднее, а для начала эффективной термоядерной реакции давление важно не меньше, чем температура.
Да, сжать мишень, предварительно нагретую до сверхвысоких температур, не очень просто, так как она сама начинает расширяться изнутри, и сжимать её — занятие сродни попытке сжать резиновое колесо, вначале хорошенько его накачав. Но на практике всё получилось не так плохо: давление и раньше создавать не слишком-то удавалось — из-за испарения аблятора, после которого испарению мишени уже ничто не мешало, поэтому потерь от ещё более плавного разогрева, по сути, не было. А вот то, что температура до разрушения аблятора была значительно поднята «шаг за шагом», позволило повысить энерговыход от одной «порции» инерциального синтеза до 26 кДж. А это едва ли не вдвое выше итогов сентября 2013-го.
Важно и то, что новые результаты очень близки к итогам предварительного компьютерного моделирования. Иные уже сомневались в важности именно этого момента: мол, победа разума над сарсапареллой, моделирование не термоядерный синтез. Но тут стоит вспомнить, что до этого три года подряд моделирование обещало инерциальному лазерному синтезу один энергетический выход, а на деле выходило то в 10, то в 100 раз меньше. Теперь мы хотя бы знаем, чего ждать.
Увы, на этом возможности плавного нагрева мишени приближаются к своему верхнему пределу: более плавный вряд ли даст большой прирост энергетического выхода. Однако учёные хотят помочь началу синтеза, поменяв форму мишени на такую, которая позволит симметричнее «сжимать» её лазерными импульсами.
«Чем меньше пластика в абляторе, тем быстрее термоядерное топливо взорвётся, — поясняет Дэниз Хинкель (
Denise Hinkel
) из NIF. — Однако какое-то количество пластика вам всё-таки понадобится, иначе при нагреве начнётся абляция топлива в мишени. Здесь нужен оптимальный баланс, но мы пока его не нащупали».
Она же чуть издали. Виден удерживающий её кронштейн.
Стив Коули (
Steve Cowley
), глава Куллхэмского центра термоядерный энергии (Великобритания), считает, что конкурирующий подход, когда сжатие топлива идёт за счёт магнитного поля, подошёл к близким результатам ещё в 1997 году: на 16 МВт ввода было получено 24 МВт на выходе. Однако ни это, ни близкий старт реактора ИТЕР не должны вести к сворачиванию усилий по лазерному синтезу. Никто не может сейчас поручиться, что
ИТЕР
не будут преследовать проблемы низкой отдачи вопреки предварительным расчётам, и тогда всё придётся начинать заново. Гораздо разумнее развивать оба подхода, всё ближе подтягивая их к экономической целесообразности.