Физики приблизились к реализации «лазерного» термоядерного синтеза

В лаборатории американского научного комплекса National Ignition Facility (NIF) была успешно протестирована система зажигания инерциального управляемого термоядерного синтеза (ИУТС), действие которой обеспечивают 192 лазерных пучка. Реакция синтеза требует сближения двух лёгких ядер на фемтометровые расстояния, на которых проявляют себя ядерные силы. Сближению препятствуют силы кулоновского отталкивания, а значит, ядрам необходимо сообщить кинетическую энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера. Поскольку «высота» последнего возрастает пропорционально произведению зарядов обоих ядер, наиболее перспективными кандидатами считаются самые лёгкие изотопы. В экспериментах NIF будут применяться дейтерий (его ядро содержит один протон и один нейтрон) и тритий (протон и два нейтрона), у которых зарядовое число минимально и равно единице.

Естественным способом синтеза было бы ускорение ядер одного типа и бомбардировка ими мишени, выполненной из второго изотопа. Если, однако, энергию планируется получать в промышленных масштабах, эта схема не сработает, так как сечения атомных столкновений на много порядков превосходят сечения ядерных реакций. Кинетическая энергия ядер будет расходоваться на ионизацию и возбуждение атомов мишени, а вероятность реализации синтеза окажется ничтожно малой. В результате энергия, затраченная на ускорение, превысит энергетический выход полезной реакции.

Для того чтобы исключить влияние процессов ионизации и возбуждения, столкновение проводят в веществе, которое находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Основным критерием «практичности» здесь становится критерий Лоусона, определяющий минимальную частоту реакций синтеза, достаточную для их устойчивого поддержания в среде. Его смысл сводится к тому, что с достижением температуры запуска реакции нужно выдерживать некое соотношение плотности частиц и времени их удержания в объёме, обеспечивающем эту плотность.

Таким образом, синтез можно зажечь при меньшей концентрации частиц за счёт более длительного удержания плазмы, и здесь физикам должны помочь магнитные ловушки — токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками). Сооружение токамака станет основным этапом международного проекта ITER, экспериментального термоядерного реактора, плазму на котором планируют получить в 2019 году.

ИУТС имеет обратный принцип действия: пожертвовав временем удержания плазмы, учёные пытаются увеличить плотность частиц в ней и спланировать опыт так, чтобы значительная часть термоядерного топлива сгорела ещё до его разлёта. Эта схема будет работать, если дейтерий-тритиевую смесь в конденсированном (замороженном) состоянии практически мгновенно нагреть до сверхвысокой температуры.

В ИУТС-реакторе, как предполагается, будут использоваться сферические мишени с оболочкой, поглощающей подаваемую извне энергию. Вложение энергии должно приводить к испарению и быстрому истечению вещества (абляции) с поверхности сферы. Взрывной процесс абляции даст направленную внутрь ударную волну которая сожмёт и нагреет топливо, находящееся в центральной части мишени, до термоядерных параметров, после чего горение начнёт распространяться из центра к периферии.

Схема нагрева и сжатия термоядерной мишени. 1 — топливо, 2 — оболочка, 3 — падающее излучение, 4 — расширяющаяся плазма вещества оболочки, 5 — фронт абляции, 6 — сжимающаяся неиспарившаяся часть оболочки, 7 — сжимающееся и прогреваемое топливо, 8 — термоядерный микровзрыв, 9 — разреженная плазма вещества оболочки. (Иллюстрация из статьи Владимира Бойко, опубликованной в «Соросовском образовательном журнале».)

Закачивать энергию в мишень можно разными способами, и проектировщики NIF выбрали один из наиболее очевидных — лазерное воздействие. При этом 192 лазерных пучка будут направлены не на саму сферу с бериллиевой оболочкой и дейтерий-тритиевым наполнителем, а на металлический цилиндр, в котором она находится. Последний должен нагреваться и отдавать полученную энергию в виде рентгеновского излучения, а оно уже будет взаимодействовать с мишенью.

Сейчас сотрудники NIF занимаются тестированием установки. В последних опытах они оценили условия, возникающие при облучении золотых цилиндров диаметром в 3,55 мм и высотой в 6,40 мм. Внутри них находились пластиковые макеты реальных мишеней, заполненные гелием.

Сравнив данные измерений с теоретическими расчётами, исследователи установили, что эффективность преобразования лазерного излучения в рентгеновское доходит до 90%, а радиационная температура цилиндров превышает 300 эВ (3,6 млн ˚C). Сфера сжималась равномерно, с уменьшением диаметра от 2,2 мм до 100 мкм. «Результаты даже превзошли наши ожидания, — говорит руководитель NIF Эдвард Мозес (Edward Moses). — Существовали некоторые опасения, что мы не достигнем нужной температуры, но всё обошлось».

По словам г-на Мозеса, зажигание термоядерного синтеза в NIF может произойти уже в следующем году. «Я думаю, весной или летом 2012-го всё будет готово, — предполагает учёный. — Но утверждать не берусь».