Мегаджоули управляемого термоядерного синтеза

Установка лазерного термояда NIF - это сложнейшее инженерно-техническое сооружение: только конденсаторы для питания лазеров занимают площадь с футбольное поле. Фото с сайта www.energy.gov

Ученым Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL, Калифорния) удалось получить в реакции управлямого термоядерного синтеза 3,15 мегаджоуля (МДж) энергии, затратив на разогрев плазмы 2,05 мегаджоуля. Сообщение об этом достижении физиков стало главной сенсацией декабря. Эксперимент выполнен учеными Национального комплекса лазерных термоядерных реакций США (National Ignition Facility, NIF). Об этом на специально созванной пресс-конференции объявили представители Министерства энергетики США.

Подчеркивалось, что это первое в истории получение прироста энергии в ходе реакции термоядерного синтеза. «Команда физиков, работающих на установке NIF, провела первый в истории контролируемый эксперимент по термоядерному синтезу, достигнув энергетической безубыточности. Это означает, что в результате синтеза было получено больше энергии, чем потребовалось от лазера для его начала», – указывается в сообщении Министерства энергетики США. Понятно, что без элементов PR здесь не обошлось. Но достижение американцев действительно весьма важное в физике экстремального состояния вещества.

Бег по тору

В мире существует несколько вариантов проведения управляемой термоядерной ре­акции. До нынешнего декабря наиболее перспективной считалась схема, при­думанная советскими физиками еще в начале 1950-х. Аббревиатура этой схемы «ТОроидальная КАмера с МАг­нитными Катушками», токамак, стала уже общепринятым международным термином. На основе принципа токамака строится международный экспериментальный термоядерный реактор ITER во Франции.

Принцип прост: в пустотелом «бублике» (торроидальной камере) зажигается плаз­менный шнур с температурой в несколько десятков миллионов градусов. Этот плазменный шнур удерживается (должен удерживаться!) в сильном, идеаль­но однородном магнитном поле, чтобы не коснуться стенок тора. Для сравнения: температура газа внутри Солнца – 15 млн градусов. 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.

В российском токамаке Т-15МД, физический пуск которого в мае 2021 года состоялся в НИЦ «Курчатовский инсти­тут», общий пока­затель мощности нагрева соста­вит 11 МВт. Цель – получение практически неисчерпаемого источника энер­гии.

Премьер-министр Михаил Мишустин, который принимал участие в церемонии открытия Т-15МД, заявил: «Это огром­ное событие не только для России, но и для всего мира. Появля­ется уникальная инфраструктура для научных исследований для того, чтобы, как говорят ученые, управляемый термоядерный син­тез все-таки создал неиссякаемый источник энергии. Об этом мно­гие мечтают. Может быть, это удастся вам сделать».

Вряд ли председатель пра­вительства не отдавал себе отчета в том, что никакой термоядерной энергетики – по крайней мере при его премьерстве – не будет созда­но. Ни у нас в стране, ни где-либо еще. И тем не менее, воз­можно, вложение в токамак – это одно из самых грамотных реше­ний правительства РФ на перспективу.

Увы, пока КПД любых токамаков – отрицатель­ный. То есть энергия, которая за­трачивается на разогрев плазмы и удержание ее в подвешенном состоянии в магнитном поле, значительно превосходит выход энергии в результате реакции. В 2020 году на китайском токамаке EAST ученым из Поднебесной удалось удержать 100-миллионноградусный плазменный шнур в течение 100 секунд. Затем сработала аварийная защита.

Установка NIF принципиально отличается он токамаков. Термоядерная реакция протекает за миллионные доли секунды при сжатии термоядерного топлива (в виде шариков размером с маковое зерно) – смеси из трития и дейтерия. Для сжатия используют мощные лазеры. Этот принцип создания и поддержания управляемой термоядерной реакции поэтому и называется лазерный термояд; или – инерциальный.

Термояд по капле

«Это историческое достижение для исследователей и сотрудников NIF, которые посвятили свои карьеры тому, чтобы увидеть, как термоядерный синтез становится реальностью, и это достижение, несомненно, повлечет за собой новые открытия», – заявила министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм. Рекордный эксперимент обошелся американскому налогоплательщику в 3,5 млрд долл. Почему так дорого?

Сердце реактора NIF – 192 мощных лазера, которые одновременно направляются на миллиметровую сферическую мишень (около 150 микрограммов термоядерного топлива – смесь дейтерия и трития; возможно, в дальнейшем радиоактивный тритий можно будет заменить легким изотопом гелия-3, которого так много на Луне). Температура мишени достигает в результате 100 млн градусов, при этом давление внутри шарика в 100 млрд раз превышает давление земной атмосферы. То есть условия в центре мишени сравнимы с условиями внутри Солнца.

Плотность лазерного излучения достигает при этом примерно 1015 Ватт/кв. см. Энергия самого лазерного луча при этом составляет около 1 МДж. Представьте теперь цепочку падающих в лазерное перекрестье шариков с компонентами термоядерного топлива (фактически миниатюрных водородных микробомбочек). И, соответственно, непрерывную цепочку микровзрывов…

Даже сложно вообразить, как физикам удалось достичь синхронности работы этих лазеров и идеально равномерного обжатия мишени! Совершенно справедливо администратор Нaциoнaльнoй администрации по ядерной безопасности (NNSA) Джилл Хруби назвала проведенный эксперимент «чудом инженерной мысли».

Но вот придумали такую схему… в СССР. Идея инерциального термоядерного синтеза была сформулирована в 1962 году академиком Николаем Геннадьевичем Басовым и тогда еще не академиком Олегом Николаевичем Крохиным. Басов выступал на сессии Академии наук СССР и определил лазерный термояд как одно из направлений управляемого термоядерного синтеза. Он даже оценил, какая мощность лазера должна быть, чтобы зажечь термоядерную реакцию в этих условиях.

Как раз 13 декабря, за день до 100-летнего юбилея Николая Басова, на заседании Президиума Российской академии наук, посвященном этой дате, академик, заместитель директора Российского федерального ядерного центра «ВНИИЭФ» по лазерно-физическому направлению Сергей Гаранин подчеркнул: «Фактически достигнуто зажигание термоядерного горючего. Эти результаты (достигнутые на NIF. – «НГ-Наука») позволяют сделать вывод о том, что в обозримом будущем идеи Николая Геннадьевича Басова о создании термоядерного реактора на базе лазерного термоядерного синтеза вполне реализуемы».

Михаил Мишустин 18 мая 2021 года принял участие в церемонии физического пуска установки управляемого термоядерного синтеза токамак Т-15МД в Курчатовском институте.  Фото с сайта www.government.ru

Вот и директор LLNL Ким Будил считает, что еще предстоит преодолеть «значительные препятствия» в отношении технологии термоядерного синтеза, прежде чем ее можно будет использовать в глобальных масштабах – или для начала в любом масштабе, если уж на то пошло. Такой процесс может занять годы или даже еще несколько десятилетий.

Шипящие пузырьки

Слова директора LLNL – отнюдь не простая дань скромности. «Инерциальный термояд не войдет в энергетику в ближайшие годы, – подчеркнул академик Роберт Нигматулин в беседе с «НГ-Наука». – Сейчас нет необходимости в этой супертехнологии. Прежде всего NIF – это неимоверной сложности установка. Например, накопители (конденсаторы) для питания лазеров – это целое футбольное поле. Во-вторых, сейчас уже вполне отработана технология реакторов на быстрых нейтронах. Уран, который эти реакторы позволяют вовлечь в ядерно-топливный цикл, дешевый, его много.

В общем, физика процесса – интересная: исследование свойств веществ при сверхвысоких давлениях и сверхвысоких температурах. Пусть занимаются. Повторяю, это очень интересная физика. Но коммерческое использование этого достижения – не раньше, чем через несколько десятилетий. Как шутят сами физики, занимающиеся термоядом, через 50 лет или, может быть, на два дня раньше».

Действительно, заявления типа «Ученые США впервые в мире смогли получить от термоядерного синтеза больше энергии, чем на него потратили», «Научные прорывы в этой сфере позволят человечеству в будущем полностью отказаться от ископаемого топлива» существенно переоценивают значение эксперимента на установке NIF. Да, полученной «сверхнормативной» энергии хватит, чтобы вскипятить 10–15 чайников. Но журнал Nature напоминает: на работу всей установки потратили 322 МДж; лазеры выдали мощность на топливо, равную 2,05 МДж; конечная реакция произвела 3,15 МДж.

«То есть именно с точки зрения физики – это действительно успех: получили энергии больше, чем затратили. Но с точки зрения промышленности все остается на своих местах: потратили 322, получили 3,15», – резюмируют сотрудники Московского инженерно-физического института в Telegram-канале «Эвтектика из МИФИ».

Но в этой гонке принципов – токамаки vs инерциальный термояд – как-то оказался отодвинутым на периферию научного (и государственного, что важно!) внимания третий вариант: пузырьковый термояд. Этот сценарий, как бы, зеркально противоположен лазерному термояду. Если в реакторе NIF происходит внешнее обжатие капли термоядерного топлива, то в пузырьковом варианте, наоборот, нейтроны рождаются в результате экстремального схлопывания газовых пузырьков.

Любопытно, что теоретическую схему этого процесса предложил как раз академик Роберт Нигматулин в середине 1990-х. По крайней мере в 1995 году он уже выступал с докладом «Перспективы пузырькового термояда» на научной конференции в США. Несколько американских физиков заинтересовались теоретическими выкладками российского ученого, и начались «камерные» лабораторные эксперименты.

Действие лабораторной термоядерной установки основано на эффекте акустической кавитации (в специально подготовленной жидкости, подвергнутой воздействию акустической волны, образуется кластер мельчайших пузырьков, которые с огромной скоростью схлопываются). Все происходило в небольшом цилиндре с ацетоном, в котором ядра водорода были заменены ядрами дейтерия, имеющими в своем составе по дополнительному нейтрону. Ученые зарегистрировали поток нейтронов, вылетающих из камеры, где находился цилиндр с ацетоном. Это и появление ядер трития в облученном таким образом ацетоне – явные признаки термоядерной реакции.

А в середине нулевых в одном из номеров журнала Physical Review Е оявилось сообщение группы физиков из двух американских институтов (Окриджская национальная лаборатория, штат Теннесси, и Ренселлерский политехнический институт в Трое, штат Нью-Йорк) о том, что им вторично удалось получить доказательства существования пузырькового термояда. Экспериментаторы «бомбардировали» цилиндр мощными звуковыми волнами и одновременно – высокоэнергичными нейтронами. В результате рождалось скопление воздушных пузырьков диаметром около миллиметра, то есть гораздо более крупных, нежели образуются при воздействии только звуковых волн. Схлопывание пузырьков нагревало дейтерированный ацетон до таких температур, при которых, утверждают физики, уже начинается термоядерная реакция – слияние двух ядер дейтерия в ядро трития с вылетом лишнего нейтрона.

Кстати, о температурах. Пузырьковый термояд иногда называют «холодным». Академик Роберт Нигматулин поясняет: «Вообще-то неправильно называть пузырьковый термояд разновидностью «холодного термоядерного синтеза». В центре пузырька, который испускает нейтроны, температура от 100 до 200 миллионов градусов Кельвина. Процесс длится доли пикосекунды (10–12 с. – «НГ-Наука»), в которые реализуется каждое схлопывание, из каждого пузырька успевает выскочить около десятка нейтронов. В общем, получается 500 тысяч нейтронов в секунду. Это много с точки зрения физики явления, но этого мало, чтобы это было термоядерным реактором».

Как бы там ни было, по словам Роберта Нигматулина, он продолжает теоретические исследования в этой области и есть идеи, как повысить выход нейтронов в пузырьковом термояде. Нет денег на проведение экспериментов.

Как отмечал польский философ и футуролог Станислав Лем в своем трактате «Сумма технологий» (1964), «Без сомнения, ученым придется сначала «воспитать» целое поколение руководителей, которые согласятся достаточно глубоко залезть в государственный карман, и притом для достижения целей, столь подозрительно напоминающих традиционную тематику научной фантастики». Пузырьковому термояду в этом смысле не повезло: до него додумались, когда основные государственные бюджеты уже были поделены между токамаками и лазерным термоядом.

В любом случае отметим еще раз этапное достижение ученых, полученное на установке NIF. Пусть и локально, но превышение выработанной энергии над затраченной продемонстрировано экспериментально. Но вообще-то результат американских физиков нетривиален не только в отношении физики.

В последние годы общество уже привычно принимает за данность, что современная Большая Наука – это дело больших международных проектов и коллабораций (Megascience, Меганаука). Большой адронный коллайдер (LHC) в Европейском центре ядерных исследований в Женеве, токамак ITER во французском Кадараше, пуск которого все откладывается и откладывается… Но вот оказывается, что национальные исследовательские проекты и программы в каком-то смысле более эффективны.