Добивались сто лет. В ядерной физике началась новая эра

• Два пути термоядерного синтеза
• Эксперимент NIF
• Событие пятидесятилетия
• Наш ответ Ливермору

Художественное представление лазерных лучей, входящих через отверстия на обоих концах капсулы, содержащей гранулу с термоядерным топливом. Сжимая и нагревая мишень, лучи вызывают ядерный синтез в грануле

Ученые Ливерморской национальной лаборатории в США провели успешный эксперимент по термоядерному синтезу. По мнению специалистов, человечество стало на шаг к ближе к источнику бесконечной энергии.

Два пути термоядерного синтеза

В 20-е годы прошлого века физики доказали, что основной источник энергии звезд — это реакции слияния ядер водорода с образованием гелия и других, более тяжелых элементов. С тех пор вот уже более ста лет ученые пытаются воспроизвести на Земле термоядерный синтез.

Первое устройство, в котором его применили на практике, — водородная бомба. Но конструктивно использовать выделившуюся при взрыве энергию невозможно. Поэтому еще с 1950-х в США, России и некоторых других странах пытаются решить проблему управляемого термоядерного синтеза.

Так как ядра положительно заряжены, они испытывают электростатическое отталкивание. Чтобы заставить ядра даже самого легкого элемента — водорода — слиться, требуется приложить значительную энергию. Для этого топливо нужно нагреть до температуры в сотни миллионов градусов, при которой вещество переходит в состояние плазмы.

Управляемый термоядерный синтез

Основная проблема заключалась не в самом получении высокотемпературной плазмы, а в том, чтобы удержать ее от контакта с любой поверхностью, потому что ни один материал не может выдержать таких температур. В середине 1950-х советские ученые предложили техническое решение — кольцевую тороидальную камеру с магнитными катушками (токамак), в которой плазма удерживается с помощью магнитного поля.

Параллельно с токамаками развивалось направление инерциального управляемого синтеза. Его идея заключается в очень быстром нагреве термоядерного топлива, например, с помощью мощных лазеров. Благодаря инерции образовавшаяся в результате нагрева плазма не успевает разлететься (это состояние называют инерциальным удержанием), и на короткое время в реакторной капсуле создаются температура и давление, необходимые для преодоления отталкивания протонов. Похожий принцип применен в термоядерной бомбе. Но там вместо лазера разогрев и обжатие мишени осуществляет инициирующий ядерный взрыв.

Сегодня магнитный и инерциальный термоядерный синтез — два основных подхода в исследованиях. С точки зрения выработки энергии наиболее перспективными считают токамаки, на которых теоретически можно добиться долговременного управляемого эффекта. Реактор, работающий по инерциальному принципу, — импульсный. Интерес к таким устройствам прежде всего проявляют военные, так как на них можно изучать возможности термоядерного оружия без проведения реальных испытаний.

Эксперимент NIF

Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF) в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в США — самая крупная в мире установка инерциального типа. Небольшие мишени с термоядерным топливом (изотопами водорода — дейтерием и тритием) здесь облучают пучками сверхмощных лазерных лучей.

Мишень для эксперимента NIF

Основной целью NIF, как и любого другого устройства управляемого синтеза, было достижение энергетической безубыточности — состояния, при котором коэффициент усиления термоядерной энергии превышает единицу.

«Энергетическая безубыточность рассчитывается как отношение энергии, полученной в результате термоядерного горения, к подведенной лазерной энергии, — объясняет директор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андрей Кузнецов. — При этом не учитывается энергия, которую берут «от розетки», но в токамаках пока не смогли достичь и этого показателя».

Расчеты показывают, что с повышением температуры плазмы скорость реакций и саморазогрев системы быстро нарастают и для поддержания синтеза требуется все меньше энергии от внешних источников. В конце концов система переходит на внутреннее энергообеспечение. Этот момент называется зажиганием (ignition).

Комплекс NIF запустили в 2009-м, но реакцию синтеза долгие годы не могли получить. Только в 2018-м после серии технических улучшений она произошла, но выделилось лишь 3,6 процента от входной энергии лазера. К августу 2021 года показатель подняли до 70 процентов. А в декабре 2022-го при использовании лазеров энергии 2,05 мегаджоуля получили в полтора раза больше энергии — 3,15 мегаджоуля.

Приближение к точке научной безубыточности (горизонтальная пунктирная линия) в ходе экспериментов на NIF

О достигнутом успехе сообщили на брифинге Министерства энергетики США (DOE) и Национального управления ядерной безопасности (NNSA), а недавно вышла статья с описанием деталей эксперимента. Свой вклад в работу внесли 1370 исследователей из 44 институтов.

Во время эксперимента на капсулу размером с бусину, содержащую 220 микрограммов топлива, направили лучи 192 мощных лазеров. В короткий момент импульса в месте их фокусировки температура составила 151 миллион градусов Цельсия, а давление — 600 миллиардов атмосфер, то есть было жарче и плотнее, чем в недрах Солнца. В этих условиях ядра водорода слились, образуя гелий, и произошел выброс энергии длительностью в несколько миллиардных долей секунды.

Капсула с D-T смесью (мишень для лазеров)

Событие пятидесятилетия

В течение 2023-го успех подтвердили трижды. Причем один раз получили даже лучший выход — 3,88 мегаджоуля при той же энергии входа в 2,05 мегаджоуля. То есть коэффициент усиления термоядерной энергии составил почти 1,9.

«Это событие пятидесятилетия в термоядерной физике, — комментирует Андрей Кузнецов. — Главное, американцы показали, что само по себе это возможно. Теперь все остальные будут стремиться повторить результат. Аналогичными экспериментами занимаются в России, Франции и Китае, но пока никто, кроме американцев, на такой уровень энергии не вышел».

«Большой и очень квалифицированный коллектив Ливерморской национальной лаборатории шел к этому более десяти лет, — отмечает старший научный сотрудник Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН кандидат физико-математических наук Владимир Поступаев. — В экспериментальную базу вложили большие деньги, построили гигантский лазерный комплекс NIF, обладающий рекордным запасом энергии в импульсе, на сегодня — самый мощный в мире. Серьезные усилия приложили для теоретического понимания происходящих процессов: создали сложные суперкомпьютерные численные коды, моделирующие поведение вещества при таких экстремальных условиях, разработали многочисленные системы для измерения параметров плазмы и сопутствующие технологии».

Часть установки, в которой была запущена реакция синтеза

Успех NIF, по мнению специалистов, знаменует начало новой эры в исследованиях ядерного синтеза. Однако до коммерческого применения еще очень далеко. Речь пока идет лишь о превышении выделившегося тепла над энергией, непосредственно переданной в мишень. Общее же количество энергии, затраченной на питание 192 лазеров установки, — более 400 мегаджоулей. То есть КПД NIF как энергетической установки — менее одного процента.

Наш ответ Ливермору

В Саровском ядерном центре строится российская установка для экспериментов по управляемому термоядерному синтезу с инерциальным удержанием плазмы УФЛ-2М. Планируется, что она будет намного мощнее заокеанского аналога: энергия, подводимая к мишени, достигнет в ней 4,6 мегаджоуля.

В июне 2023-го открыли первую очередь комплекса. С запуском самой мощной в мире лазерной установки ученых поздравил премьер-министр Михаил Мишустин, посетивший Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ — ВНИИЭФ).

Полностью установку введут в эксплуатацию к 2030 году.