Сила инерции: как запустить термоядерную реакцию лазером

На прошлой неделе человечество, возможно, сделало шаг к дешевому, экологичному и почти бесконечному источнику энергии. В Национальном комплексе зажигания в Ливерморской лаборатории (США) впервые потратили на запуск термоядерной реакции меньше энергии, чем получили в результате. Это дает надежду на то, что идея термоядерной электростанции в принципе осуществима. Но вряд ли в ближайшие десятилетия.

Удержать неудержимое

Одна из основных проблем при осуществлении реакции термоядерного синтеза — это удержать разогретую плазму в течение времени, достаточного для того, чтобы ядра начали сливаться. Поскольку вещество разогревается до огромных температур (порядка 10⁸ или 10⁹ градусов), ни один существующий материал не может выдержать такого жара.

Ученые пытаются решить эту проблему разными способами. Один из них, о котором мы уже писали, — это удержание плазмы в электромагнитном поле. Существует два наиболее перспективных типа подобного реактора — токамак и стелларатор (они различаются технологией создания магнитного поля). При этом токамак лучше поддерживает высокую температуру плазмы, а стеллараторы — обеспечивают большее время удержания.

Установка, используемая в Ливерморской лаборатории, принципиально другая. В ней реализуется инерциальный управляемый термоядерный синтез. Для удержания плазмы в ней используются собственные силы инерции вещества, используемого в качестве топлива. Принцип работы следующий: вещество почти мгновенно разогревается до состояния плазмы. Внешние слои при этом разлетаются, и создаваемая этим разлетом реактивная сила сжимает оставшееся вещество. Такой нагрев возможен только в импульсном режиме, поэтому на мишень воздействуют серией ударных волн, в результате которых запускается термоядерная реакция. При этом выделяющаяся энергия также нагревает топливо, что способствует поддержанию реакции.

В экспериментах Национального комплекса зажигания используется мишень диаметром два миллиметра, состоящая из золотого цилиндра, в котором находится смесь дейтерия и трития. Время удержания такой плазмы, разогретой до 10⁸ градусов, составляет 10^–9 секунд. Поэтому разогрев должен происходить моментально — и сразу до высокой температуры. В Ливерморе (как и почти во всех аналогичных установках) для этого используют очень мощные лазеры, чаще всего лазеры предельно коротких импульсов. Такие генераторы способны генерировать излучение длительностью порядка нескольких фемтосекунд (10^–15).

Такой импульс сразу же испаряет золотую оболочку цилиндра и разогревает дейтериево-тритиевую смесь. Хотя при такой схеме в реакции задействуется небольшая часть топлива (мишень содержит около 10 миллиграммов смеси), выделившаяся энергия эквивалентна сжиганию около барреля нефти.

Основные проблемы технологии — огромные затраты энергии на работу лазеров, сложность поддержания импульсного режима. Кроме того, такая высокая нагрузка приводит к тому, что техника довольно быстро выходит из строя и нуждается в частой замене. Все это затраты, которые ставят под вопрос возможность коммерческой эксплуатации подобного реактора. Так, упомянутый в начале статьи эксперимент стоил целых 3,2 миллиарда долларов — вряд ли это та цена, которую мы хотим увидеть в счетах за электричество.

Однако лазеры — это не единственный способ запустить инерциальный термоядерный синтез. Давление могут создавать и другие виды излучения — например рентгеновское. В Сандийских национальных лабораториях в штате Нью-Мексико работает экспериментальная установка под названием Z-машина, один из крупнейших источников рентгеновского излучения в мире. На ней также проводился эксперимент по сжатию дейтериево-тритиевой смеси с образованием из них ядер гелия. Недостаток установки — биологическая опасность рентгеновского излучения и чудовищная сила тока, необходимая для генерации. В течение 100 наносекунд на проводники подается порядка 20 миллионов ампер. Из-за очень высокого напряжения оборудование находится в камерах, заполненных трансформаторным маслом и деионизированной водой. Однако и это не вполне помогает: в момент генерации электромагнитного импульса расположенные рядом металлические предметы начинают светиться.

Ливермор, поджигай!

Национальный комплекс зажигания был построен в Ливерморской национальной лаборатории специально для исследования технологии инерциального термоядерного синтеза, запускаемого при помощи лазеров. Инженеры собрали 192 мощных лазера, импульсы которых проходят через каскад усилителей и направляются на мишень с топливом.

Ультрафиолетовые лазеры с длиной волны 351 нанометр генерируют мощность до 500 тераватт. Они разогревают топливную мишень до 10⁸ градусов, сжимая ее до плотности 1000 граммов на кубический сантиметр. При этом создается давление, эквивалентное 300 миллиардам атмосфер, из-за чего запускается реакция термоядерного синтеза. По два ядра дейтерия и трития — тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода — сливаются в ядро гелия. При этом выделяются энергия и высокоэнергетический нейтрон.

Но что же по затратам? Строительство комплекса заняло целых 12 лет и стоило четыре миллиарда долларов. Первый пробный эксперимент на нем провели в 2009 году, но еще три года ученым так и не удавалось запустить термоядерную реакцию. В какой-то момент даже встал вопрос о закрытии комплекса, но Конгресс США решил продолжить финансировать эксперименты. Лишь в 2018 году, после модернизации установки, ученые смогли запустить термоядерную реакцию, получив 3,6 % от затраченной энергии лазера.

В 2021 году ученым удалось получить выходную энергию в размере 70 % от затраченной, заменив дейтериево-тритиевую мишень алмазной. Правда, повторить этот успех не получилось. Лишь в 2022 году в результате термоядерного синтеза было получено 3,15 мегаджоуля энергии против затраченных 2,05 мегаджоуля. Правда, никто не ожидал подобного: в результате было повреждено оборудование для анализа результатов, поэтому ученые пока что говорят об итогах эксперимента с осторожностью.

Хотя результаты эксперимента обнадеживают, вряд ли мы увидим работающую термоядерную электростанцию в ближайшие десятилетия. Слишком много технических сложностей еще предстоит решить — и мы пока не знаем, все ли они решаемы в принципе.