Лазер Национального центра зажигания

Не сумев воспроизвести прошлогодний рекордный импульс термоядерной энергии, ученые из Национального центра зажигания США вернулись к чертежной доске.Эдвин Картлиджобсуждает свои дальнейшие шаги

8 августа прошлого года физики Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в США использовали самый большой в мире лазер для проведения рекордного эксперимента. Используя 192 луча Национальной установки зажигания (NIF) стоимостью 3,5 миллиарда долларов, чтобы взорвать капсулу размером с горошину перца, содержащую дейтерий и тритий, они заставили два изотопа водорода слиться, вызвав самоподдерживающуюся реакцию термоядерного синтеза в течение доли секунды. Поскольку этот процесс выделяет более 70% энергии, используемой для питания лазера, это открытие предполагает, что гигантские лазеры еще могут стать новым источником безопасной, чистой и практически безграничной энергии.

Этот результат поднял настроение исследователям Ливерморской лаборатории, которые уже более десяти лет боролись за значительный прогресс. Но первоначальное волнение вскоре угасло, когда несколько последующих попыток воспроизвести это достижение не увенчались успехом – в лучшем случае удалось собрать лишь половину рекордного результата. Поскольку руководство Ливермора решило провести лишь несколько повторных экспериментов, лаборатория приостановила поиски безубыточности и вместо этого попыталась выяснить, что вызывает изменения в объемах производства.

Для критиков НИФ последняя корректировка курса не стала сюрпризом, очевидно, еще раз продемонстрировав непригодность объекта в качестве испытательного полигона для надежного производства термоядерной энергии. Но многие ученые сохраняют оптимизм, и сами исследователи NIF выступили против, недавно опубликовав результат своего рекордного выстрела в Physical Review Letters (129 075001). Они настаивают на том, что им, в конце концов, удалось достичь «воспламенения», достигнув точки, в которой нагрев от реакций синтеза перевешивает охлаждение, создавая петлю положительной обратной связи, которая быстро повышает температуру плазмы.

Омар Харрикейн, главный научный сотрудник Ливерморской программы термоядерного синтеза, утверждает, что это основанное на физике определение воспламенения – а не простое описание «энергетической безубыточности» – является тем, которое действительно имеет значение. Называя возможное достижение безубыточности «следующим пиар-событием», он, тем не менее, говорит, что это остается важной вехой, которую он и его коллеги хотят достичь. Действительно, физики из Ливерморской лаборатории уверены, что столь обсуждаемая цель будет достигнута. Стивен Роуз из Имперского колледжа Великобритании считает, что «есть все шансы» на достижение безубыточности.

Попытка использовать термоядерный синтез предполагает нагрев плазмы легких ядер до такой степени, что эти ядра преодолеют взаимное отталкивание и объединятся, образуя более тяжелый элемент. В результате этого процесса образуются новые частицы – в случае дейтерия и трития, ядра гелия (альфа-частицы) и нейтроны – а также огромное количество энергии. Если плазму можно поддерживать при достаточно высоких температурах и давлениях достаточно долго, альфа-частицы должны обеспечивать достаточно тепла, чтобы поддерживать реакции самостоятельно, в то время как нейтроны потенциально могут быть перехвачены для питания паровой турбины.

Термоядерные токамаки используют магнитные поля для удержания плазмы в течение довольно длительных периодов времени. NIF, как устройство «инерционного удержания», вместо этого использует экстремальные условия, создаваемые на мгновение внутри крошечного количества сильно сжатого термоядерного топлива, прежде чем оно снова расширится. Топливо помещается внутри сферической капсулы диаметром 2 мм, которая расположена в центре цилиндрического металлического «хольраума» длиной примерно 1 см и взрывается, когда точно направленные лазерные лучи NIF попадают внутрь хольраума и создают поток Рентгеновские снимки.

В отличие от токамаков, NIF не был предназначен в первую очередь для демонстрации энергии, а вместо этого служил для проверки компьютерных программ, используемых для моделирования взрывов ядерного оружия – учитывая, что США прекратили живые испытания в 1992 году. Однако после включения в 2009 году он вскоре стало очевидно, что программы, используемые для руководства его собственными операциями, недооценили связанные с этим трудности, особенно при работе с нестабильностью плазмы и создании достаточно симметричных взрывов. Поскольку NIF не достиг своей первоначальной цели по достижению воспламенения к 2012 году, Национальное управление ядерной безопасности США, которое курирует лабораторию, отложило эту задачу, чтобы сосредоточиться на трудоемкой задаче лучшего понимания динамики имплозии.