ЗВЁЗДНАЯ ЗАЖИГАЛКА

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА: НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ПРОРЫВЕ В БУДУЩЕЕ

Грандиозная установка NIF в Ливерморе, открытая в самом конце мая этого года – фантастический прорыв в будущее.

Идея лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) была высказана в 1961 году в докладе Николая Басова на заседании Президиума АН СССР. Вскоре Николаем Басовым и Олегом Крохиным был описан базовый механизм будущих лазерных термоядерных систем, который должен основываться на использовании последовательности (импульсной серии) лазерных микровзрывов внутри мишени.

До этого основные усилия направлялись на создание установок типа Токамак, в которых магнитное поле в торе удерживало раскаленный шнур плазмы. Токамаки, которые обжимают плазму магнитным полем в тороидальной камере, не могут справится с нестабильностью плазменного шнура. Он вьется, колеблется, касается холодной стенки камеры и реакция синтеза сразу же прекращается.

В звездах миллиарды лет идет термоядерная реакция синтеза. Почему? Потому, что огромная масса звезды создает равномерное давление в центре (создает особую зону) и повышает температуру звездной плазмы до многих десятков миллионов градусов, то есть создает условия, при котором только и может идти равномерная термоядерная реакция. Лазерные установки с созданием особой точки (давление со всех сторон, имитирующее состояние в недрах звезды)- это перспективный путь управляемой реакции синтеза.

Уже десятки лет программы по ЛТС активно развивались в США (установки «Шива», «Нова» в Ливерморской лаборатории, «Омега» в Рочестерском университете), Японии («Гекко-12») и, разумеется, в России («Дельфин» в ФИАНе, «Искра-4», «Искра-5» в Арзамасе-16).

Как отметил в недавней беседе с журналистами «Эксперта» заместитель директора Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) академик Олег Крохин, после распада СССР «фиановская программа по лазерному термояду к началу девяностых годов фактически остановилась, потому что сколько-нибудь заметного прогресса в этом направлении не было достигнуто и, более того, мы уже не могли эффективно эксплуатировать даже имевшиеся к тому времени экспериментальные наработки".

Во Франции последние несколько лет ведется строительство лазера LMJ, схожего по своим характеристикам с американским NIF (по оценкам специалистов, первые эксперименты по зажиганию мишени будут проведены на этом лазере с отставанием от США примерно на три года).

Вопрос, почему же в России, где идея NIF была высказана Басовым почти 50 лет назад, работы остановлены?

Главная причина – отсутствие денег. Которые ушли на яхты олигархов и содержание тучи шарлатанов.
В статье Юрия Кирпичева весьма подробно рассказано о сущности новой революционной установки National Ignition Facility (NIF) в Национальной Ливерморской лаборатории имени Лоуренса, что примерно можно перевести как Национальная программа управляемой термоядерной реакцией. Во время короткого импульса к капсуле с топливом, находящегося в глубоком вакууме при температуре близкой к абсолютному нулю подводится от 1,8 до 4 мегаджоуля энергии.

Другими словами, за время одна 20 миллиардная секунды к капсуле подводится мощность в 500 триллионов ватт. Этой мощности должно оказаться достаточно, чтобы мгновенно испарить оболочку капсулы, повысить температуру до 100 млн. градусов и создать взрывную волну, сжимающую пары дейтерия и трития в мишени. При этом плотность атомов водорода мишени начинает превосходить плотность свинца в 100 раз. В этих условиях начинается дозированная реакция синтеза атомов водорода в атомы гелия. Осуществляется термоядерный микровзрыв водорода объемом меньше спичечной головки

Остается лишь добавить, что, по словам директора ливерморского комплекса Эдварда Мозеса, ученые и технологи, работающие на NIF, рассчитывают выйти на проектную мощность установки к концу 2010 года. Директор, возможно, не случайно, носит фамилию Мозес, то есть Моисей. Имя со значением. Он выведет западный народ из энергетической пустыни Синая и приведет его в землю обетованную. Напоит энергетическим термоядом. Домик NIF-NIF построен!

Промышленный термоядерный генератор - это уже следующий этап. Он мыслится гораздо меньше по размерам, хотя бы потому, что не будет нуждаться в таком количестве научных приборов как нынешняя экспериментальная установка.

<font
color="#008080">Общее представление о NIF дают следующие видеоролики:

• https://lasers.llnl.gov/multimedia/video_gallery/how_nif_works.php
• https://lasers.llnl.gov/multimedia/video_gallery/the_power_of_light.php
• https://lasers.llnl.gov/multimedia/video_gallery/target_chamber_construction.php
  

Валерий Лебедев

_____________________________________________________________

В Америке любят красивые и значительные названия, любят гордиться своей страной и многое в ней к месту и не к месту сопровождают гордым определением – национальный. Хотя и американцам далеко до столь полного отсутствия чувства меры в этом занятии, какое наблюдается в России.

Там не только слащавого Николая Баскова, но даже практически несуществующий оперативно-тактический ракетный комплекс «Искандер» объявили национальным достоянием.

И все же в примере, который я приведу далее, термин национальный не совсем, на мой взгляд, соответствует статусу объекта, к коему его прилагают.

Так, совсем недавно, в конце мая США обзавелись внушительной национальной зажигалкой – можно и так перевести сокращение NIF (National ignition facility).

Причем в таком шутливом переводе будет крыться символический смысл, ибо эта «зажигалка», если все пойдет, как задумывалось, зажжет огонь сродни прометеевому. Звездный огонь! Он будет согревать нас и наших потомков тогда, когда иссякнут привычные источники энергии, и не даст угаснуть факелу цивилизации.

Эта краткая аббревиатура, о которой мало кто слышал (вот что поражает больше всего!), чрезвычайно много значит для нашего будущего. Объект, стоящий за ней, уже в ближайшие годы даст ответ на самый важный вопрос современности – есть ли оно у нас. Потому что все же лучше перевести его название как Национальная термоядерная лаборатория, установка.

Думаю, всем очевидно, что срок жизни технологической цивилизации нашего уровня, то есть, довольно примитивной и неразвитой, но очень прожорливой и энергоемкой определяется временем исчерпания природных запасов органического топлива, а также тем, успеем ли мы за это время получить доступ к новым, дешевым и неисчерпаемым источникам энергии. Если успеем, то оправдаем определение – цивилизация. Если нет…

В настоящее время по данным сэра Кристофа Ллевелина-Смита, оксфордского профессора, бывшего генерального директора ЦЕРН и нынешнего председателя Совета ИТЭР (так называется огромный токамак, строительство которого два года назад началось на юге Франции) потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт. Или 2400 ватт на человека в среднем.

В США оно равно 10,3 кВт на человека, в России 6,3 кВт (сопоставьте, кстати, ВВП и оцените эффективность экономик!), в Англии 5,1 кВт (ее экономика также намного мощнее российской) и т.д., вплоть до 0,21 кВт в Бангладеш.

Причем 80% энергии производится путем сжигания ископаемых природных топлив.

Чтобы поддержать нынешние темпы развития, необходимо уже к 2030 г. увеличить мировое потребление энергии на 50%, а производство электроэнергии удвоить!

Но как раз тогда начнется резкое сокращение добычи углеводородов (с темпом до трех процентов в год), а за гипотетические запасы их на полярном шельфе разгорится нешуточное соперничество. По грубым оценкам, в настоящее время доля разных источников в общемировом производстве энергии составляет:

• ископаемое топливо — 80%-
• сжигание отходов и биомассы — 10%-
• атомные электростанции — 5%-
• гидростанции — 5%-
• иные источники (ветер, солнце, геотермальные и морские установки и т.д.) — 0,5%.

То есть, альтернативные источники энергии принципиально неспособны заменить нефть, газ и уголь. По самым оптимистичным оценкам, максимальное количество энергии от этих источников составит всего 3 ТВт за счет ветра, 1 ТВт – гидростанции, 1 ТВт – биологические источники и 100 ГВт – геотермальные и морские установки. В сумме не более 6 ТВт. Причем разработка новых источников энергии является очень сложной технической задачей, так что стоимость производимой ими энергии будет в любом случае выше, чем при сжигании угля и пр. Иными словами, наблюдается огромный разрыв между прогнозами возможностей новых источников (6 ТВт) и новыми потребностями (13 ТВт), которые имеют тенденцию к непрерывному росту.

Плохо и то, что запасы дешевого урана – какое неприятное совпадение, чего ни коснись, все заканчивается! – также могут исчерпаться в течение ближайших 50 лет. Придется создавать реакторы на тории (бридерные реакторы или реакторы-размножители), в кото
рых при реакции возникает больше тория, чем исходного урана, в результате чего общее количество получаемой энергии возрастает в 40 раз. Или плутониевые бридеры на быстрых нейтронах, которые дают в 60 раз больше энергии. Не думаю, что планета, усеянная сотнями, если не тысячами АЭС, покажется кому-то образцом светлого будущего.

Но в итоге, ни атомная энергетика, ни альтернативные источники не заменят нефти и газа и не позволят продолжать развитие в темпе, к которому мы привыкли за последние полтора века и который уже кажется нам естественным. Да какое развитие! Все силы и средства уйдут на выживание и не факт, что их хватит. Подмерзающий и теряющий динамику мир изменится кардинально и не в лучшую сторону, просто в силу особенностей человеческой психики об этом стараются не задумываться. А надо бы, катаклизмы не за горами, они коснутся уже наших детей и внуков.

Пожалуй, мое поколение – послевоенных беби-бумеров будет последним в истории, купавшемся в дешевой энергии. Помню, бензин стоил десять копеек и водители попросту сливали его на землю, чтобы доказать большой пробег. Мы, наши отцы и деды сожгли все запасы углеводородов, накопленные природой за сотни миллионов лет, мы фактически украли их у потомков и не хочется даже думать, каким словом они нас помянут. Голос Менделеева, предупреждавшего, что жечь нефть все равно, что топить ассигнациями, услышан не был. Большинство в душе посмеивалось над ученым – эка хватил, на наш век хватит, а после нас хоть потоп! Кстати, Дмитрий Иванович привел не самое удачное сравнение, на самом деле ассигнациями топить было бы дешевле, чем нефтью, это восполняемый ресурс, их можно напечатать сколько угодно, чем и занимается американская ФРС.

Угольная энергетика? Увы, и здесь неприятная неожиданность.

Оказалось, что уголь лишь затянет агонию лет на пятьдесят, максимум сто и сделает ее более мучительной. Радужные прогнозы (хотя вряд ли это слово применимо к дымной угольной энергетике) о том, что угля хватит на века, оказались слишком оптимистичными, поскольку его потребление сейчас возрастает на 4,5% в год, что резко сокращает сроки исчерпания запасов. После опустошения основных нефтяных полей эта тенденция будет лишь нарастать. Куда ни кинь, везде клин…

Если мы в ближайшие два десятилетия получим емкий источник дешевой энергии, то еще какое-то время сможем развиваться в том же русле, пусть и не столь стремительно. Если нет, то произойдет редукция технологической цивилизации, сопровождаемая большими потрясениями, вплоть до значительного сокращения населения. Затем на некоторое время установится шаткое равновесие, при котором в отдельных анклавах планеты удастся поддерживать бледную копию того мира, в котором мы живем сейчас, но вряд ли это общество долго будет хотя бы относительно стабильным. Дальше – катастрофический возврат к традиционному, нетехнологическому образу жизни. В лучшем случае.

Каковы же наши энергетические перспективы с учетом термоядерного синтеза? До сегодняшнего дня они были туманными. Более полувека мучений с токамаками – установками с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы, в которой должна протекать реакция термоядерного синтеза, – выявили больше проблем, чем принесли достижений. Их идея, выдвинутая еще в 1951 г. Игорем Таммом и юным Андреем Сахаровым, воплощается в жизнь с таким трудом, что поневоле возникает мысль о неестественности этого способа для природы. Да, за полвека удалось достичь очень высоких температур, много больших, чем в звездах типа нашего Солнца, но не удается добиться нужной плотности и устойчивости плазмы. Нынешний рекорд ее удержания менее 30 секунд, а требуется более 400.

И даже если удастся достичь критерия Лоуренса, связывающего порог начала реакции синтеза с концентрацией ионов плазмы и временем их взаимодействия (на действующих токамаках этот уровень в 4-6 раз ниже), то нет гарантии, что начавшаяся реакция не нарушит устойчивость магнитной ловушки. Звезды работают по иному принципу, в них нет никаких магнитных ловушек, но есть то, чего так не хватает токамакам – огромные давления в центральной зоне и, следовательно, большие концентрации взаимодействующих ядер, а также большие времена взаимодействия. Иными словами – все условия для устойчивой, стабильной реакции синтеза. Что мы и наблюдаем уже многие миллиарды лет – звездные термоядерные топки прекрасно работают.

По этому звездному пути и пошли американцы, завершив 29 мая этого года в знаменитой Ливерморской лаборатории Калифорнийского технологического института строительство гигантского сооружения под приведенным выше названием NIF. Повторю: что удивляет более всего, так это отсутствие рекламы, шумихи, вообще небольшое количество информации по теме, а ведь это Америка! Причем строительство установки началось еще 12 лет назад и стоило около 4 млрд. долларов. Судя по впечатлениям от недавнего посещения ЦЕРНа профессором В.П. Лебедевым, даже американские специалисты на Большом адронном коллайдере ничего не слышали об этом проекте. Хотя установка NIF вполне сопоставима по масштабам с БАК или ИТЕР. Но этот токамак, который более десяти лет проектировали, теперь строят совместно самые развитые страны мира, и который обойдется в три раза дороже, будет завершен лишь к 2018 г. и после двадцати лет экспериментов его закроют. Как видите, о промышленном или предпромышленном использовании речь не идет…

Намерения американцев более решительные. На снимке показано начало монтажа десятиметровой рабочей камеры NIF, где и установят мишень, на которую будет направлено множество острых, высокоэнергетичных лазерных лучей. Он сделан в 1999 г. Научный мир еще шумел о перспективах (весьма далеких и неясных) нового поколения токамаков, а ливерморцы уже спроектировали и приступили к строительству предпромышленного образца установки, работающей по совершенно иному принципу. Оцените стоимость и масштаб проекта. Возможно, он и впрямь может претендовать на статус национального. Ничего не скажешь, американская университетская наука вещь серьезная!

История национального огнива уходит в далекое лазерное прошлое. Уже в 1977 г. на установке «Аргус» начались эксперименты по фокусировке двух лазерных лучей на мишени. Подводимая энергия – два килоджоуля. В следующем году на установке «Шива» в рабочей камере диаметром 1,5 метра сходились уже 20 инфракрасных лучей общей энергией 10 килоджоулей. В 1985 г. на установке «Нова» диаметр камеры составлял 4,5 метра, а 10 лучей несли энергию в 40 кДж, причем лучи эти были уже ультрафиолетовыми. «Нова» подтвердила принципиальную возможность создания камер размером с нифовскую и запуска в них реакций термоядерного синтеза. Таким образом, NIF появилась не на пустом месте, американцы настойчиво и последовательно двигались к поставленной цели. В 1995 году заработала «Омега». Энергия осталась та же, что и в «Нова», камера стала даже меньше, но на этом этапе отрабатывалось сплетение более густой сети лучей вокруг мишени – их было уже 60. Так создавался фундамент NIF.

Что любопытно – все перечисленные установки университетские. Их разрабатывали по заказам правительственных учреждений, но – в университетах! Так делается наука на Западе. Высокая роль высших учебных заведений, их открытость и демократичность – старая европейская культурная традиция. Для выходцев из бывшего СССР это до сих пор странно и непонятно (после наших откровенно слабых ВУЗов, после засекреченных городов и институтов, после тюремных КБ-шарашек и прочих прелестей тоталитарного строя), особенно если учесть, что самые солидные университеты в США частные, а не государственные.

Еще более любопытно то, что как всегда Америка ничего не скрывала – все приведенные мной данные по лазерным установкам-предтечам NIF приводились в открытой печати – читайте на здоровье и делайте выводы. Даже выход США из программы токамака ИТЕР в 1996 г. никого не насторожил, наоборот, в России радостно потирали руки – надорвалась Америка! Уже не может играть в полную силу на всех досках. Рано радовались, не говоря уже о том, что радоваться неудачам в таком святом деле, как разработка новых источников энергии, – верх близорукости, не говоря уже о порядочности. Это сейчас Россия – как бы помягче выразиться – великая сырьевая держава (Господи, и не стыдно автору этого саморазоблачительного определения? Это ж надо такое сморозить, настолько унизительное для своей собственной страны и ее народа. Ей богу, иногда лучше промолчать, если за язык не тянут…), а что будет лет через двадцать, когда нефть закончится? Идти на поклон к Америке? За лицензией на промышленный вариант NIF? Кстати, в 2003 г. США вернулись в программу токамака ИТЕР – в конце концов, 1,1 млрд. долларов их доли в проекте небольшая сумма, зато позволяет держать руку на пульсе передовых европейских достижений.

Но вернемся к теме. В 2010 году на NIF начнутся эксперименты по фокусировке энергии 192 мощных лазеров в крохотном золотистом цилиндрике, напоминающем гильзу от малокалиберной винтовки. В нем установлена мишень размером с миллиметровую дробинку, вокруг которой и будет сплетена огненная сеть лучей, отраженных и переотраженных зеркальной поверхностью так, что в итоге должна получиться ловушка стабильнее и эффективнее магнитной. Ловушка – и одновременно поджиг, недаром система носит такое название. На стенках внутренней полости этой дробинки в замороженном виде хранится смесь дейтерия с тритием, тяжелых изотопов водорода.

Лучи диаметром всего лишь 0.35 мм, но несущие колоссальную энергию в два мегаджоуля, что делает NIF самой мощной лазерной установкой в мире, проникают через два отверстия в торцах цилиндра, мгновенно испаряют материал капсулы с топливом, уплотняют его, создавая внутри зоны чудовищное давление и температуру в сто миллионов градусов, что намного горячее, чем в недрах Солнца! Этого будет достаточно для запуска реакции термоядерного синтеза – как в маленькой водородной бомбе. В отличие от токамаков нет нужды в длительном удержании устойчивого потока плазмы, наоборот, один рабочий цикл длится микродоли секунды, успевай только подавать мишени. Ожидается, что выход энергии превысит ее затраты, как минимум, в 60 раз (на ИТЕР предполагают достичь коэффициента 5), а при переходе на промышленные технологии – и в 100 раз!

Как видите, принцип действия NIF прост, хотя и требует большой инженерной смелости и высочайшей технологической культуры. Не думаю, что еще какая-либо страна в мире или даже группа стран способна на реализацию таких мегапроектов. Проблемы с адронным коллайдером показывают все трудности подобных предприятий. Но как же этот принцип воплощается в жизнь? С поистине американским размахом!

Экспериментальная лаборатория представляет собой внушительное 10-этажное сооружение площадью в 3 футбольных поля. В боковых его нефах проложены трубы вакууммированной оптической системы для формирования, усиления и преобразования двух потоков по 96 лазерных лучей, которые затем сходятся сверху и снизу в рабочей камере, где с микронной точностью установлен цилиндр с мишенью. Задающий лазерный генератор способен формировать импульсы длиной от 0.2 до 25 наносекунд. Это значит, что по каналам оптической системы длиной в 1.5 километра мчатся короткие отрезки световых лучей длиной от 6 см до 7.5 м. Требования к их синхронизации весьма строгие. К мишени они должны прийти с временным разбросом не более 30 пикосекунд (пико – это 10 в минус 12-й!), чтобы обеспечить синхронное воздействие. Иными словами, эти огненные стрелы должны лететь ровным строем, с разбросом не более 9 мм.

Генерация и усиление идут на длине волны 1000 нанометров, в инфракрасной области спектра, невидимой для нашего глаза. Большие стеклянные усилители установки, как и вообще вся лазерно-оптическая система, поражают воображение и вызывают искреннее восхищение любого оптика! Они используют более 3000 толстых, метровых слябов неодимового стекла, которые накачиваются водопадом энергии интенсивного белого света от семи с половиной тысяч мощнейших двухметровых ламп-вспышек, питающихся от гигантского конденсатора. Перед входом в рабочую камеру специальный преобразователь меняет цвет лучей на высокоэнергетичный ультрафиолетовый. Впрочем, длина волны в 300 нанометров означает уже не цвет, а ртутно-сварочное сияние!

Там же, на финише, специальные прецизионные зеркала с изменяемой геометрией преобразуют параллельные линейные стрелы лазерных лучей в сферическую конфигурацию, позволяющую сфокусировать всю их энергию в центре камеры-мишени. Здесь требуется высочайшая точность, недопустимы вибрации, и поэтому башня рабочей камеры построена из напряженного бетона 4-футовой толщины. Что и говорить, фантастическая конструкция! На последнем снимке показана внутренность рабочей камеры и хорошо виден конус подающего устройства. В опытном режиме планируется производить лишь несколько испытаний в час.

В промышленном режиме здесь будут в хорошем темпе взрываться миниатюрные водородные бомбы! Чего же еще не хватает на снимке? Чего-то, что могло бы противостоять этим вспышкам и направлять их энергию в нужное русло. Разумеется, не хватает реактора – солидной конструкции метра полтора-два в диаметре с хорошо развитыми контурами теплоотдачи. Скорее всего, он будет с литиевым теплоносителем, то есть бридерным реактором, так как при этом возможна наработка изотопов водорода. В нем и должна будет как минимум 5 раз в секунду происходить вспышка сродни солнечной.

Практичные американцы уже подсчитали, что себестоимость дробинки-мишени не должна превышать 25 центов, чтобы установка была хорошо окупаемой, ибо за сутки придется подать в камеру 432000 таких дробинок. Но возможно ли это? Не себестоимость в 25 центов – при массовом производстве и замене бериллия на пластик она вполне достижима, – а подача в огненную термоядерную зону с такой частотой и такой точностью (микронной!) все новых и новых порций горючего. Думаю, возможно. Во всяком случае, расчеты показывают, что температура реактора при хорошем охлаждении не превысит 500 градусов Цельсия, что не так уж и много. Во всяком случае, так просто подобные машины не строят, и если у вас готова столь дорогая пушка, то задачу подачи мишеней к ней вы уж как-нибудь обеспечите.

Ближайший год уйдет на юстировку оптических каналов и камеры, на калибровку измерительных систем, на отработку режимов, на проведение натурных экспериментов – все это и позволит сделать следующий шаг, ведущий к разработке реактора, способов подачи топлива и промышленному использованию лазерных термоядерных установок. Хочется верить, что к моменту запуска ИТЕР все эти проблемы уже будут решены или хотя бы доказана принципиальная возможность их решения.

Под конец хотелось бы внести ясность в единицы измерения и их величины. Два мегаджоуля энергии лучей – чудовищная мощь! – это всего лишь около 0,55 квт/час. Умножим на коэффициент усиления 60 – получим 33 квт/час. Что-то совсем немного, не так ли? Едва хватит на обеспечение энергией двух-трех домов. Разумеется, все не так. Дело в том, что эту энергию лучи переносят в течение малых долей одной миллиардной доли секунды. Вспышка реакции синтеза занимает не намного больше времени. И если она будет производиться пять раз в секунду, то наши 33 киловатта надо умножить на 18000 – именно столько термоядерных вспышек произойдет за час. И лишь после этой несложной математической процедуры мы получим право приписать к гигантскому числу киловатт – их будет 594000! – скромное уточнение «в час», переводящее мощность в энергию.

Новый источник энергии откроет захватывающие перспективы! Во-первых, топлива для таких установок хватит на тысячи лет, не говоря уже о его наработке в процессе эксплуатации. Во-вторых, процесс чистый, практически без радиоактивного загрязнения, не считая небольшого загрязнения тритием при его наработке и изготовлении мишеней, с чем нетрудно бороться, а от гамма-излучения давно имеются надежные способы защиты. В-третьих, и это самое важное, его появление очень своевременно. Если у американцев все получится, то им удастся разорвать петлю нефтяной и газовой зависимости, остановить рост цен на продовольствие, показать миру, что рано списывать великую страну со счетов, а главное – NIF снова откроет человечеству дверь в будущее! Не в задымленное угольными ТЭЦ и загаженное отходами АЭС, а относительно светлое – настолько, насколько это возможно при нашем образе жизни.