В ходе серии экспериментов специалисты Национального комплекса лазерных термоядерных реакций США (National Ignition Facility, NIF) зафиксировали энерговыделение плазмы, превысившее 60 килоджоулей. Этот результат является наиболее близким к достижению критического уровня, необходимого для самоподдерживающейся реакции термоядерного синтеза.
Об успехах, достигнутых специалистами в области ядерной физики, было объявлено на встрече Отдела физики плазмы Американского физического общества ( Поделение физики плазмы Американского физического общества ). Также об этом пишет портал Sciencemag (новостной сайт Американской ассоциации достижений науки — AAAS), ссылаясь на Марка Херрманна (Mark Herrmann), руководителя всей программы исследований управляемого термоядерного синтеза (УТС) в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, где находится комплекс NIF.
По словам Херрманна, в ходе недавнего эксперимента был достигнут показатель, значительно превышающий 60 килоджоулей, и этот результат демонстрируется стабильно. Последующие попытки запуска установки NIF помогут понять, насколько ученые близки к заветному пределу в 100 килоджоулей. Согласно расчетам, именно на этой отметке энерговыделения у ливерморских специалистов получится создать самоподдерживающуюся термоядерную реакцию, то есть зажечь плазму. Большим достижением будет и несколько меньший выход энергии (70-90 килоджоулей), при котором «горение» еще не начнется, но уже будет происходить саморазогрев плазмы.
Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций был запущен в 2010 году, и с тех пор установка совершила приблизительно три тысячи «выстрелов», используя почти два сотни лазеров. Изначально он предназначался NIF — проводились эксперименты, направленные на создание и поддержание управляемых реакций синтеза. В основе комплекса находится вакуумная камера, в которую помещают специальные мишени с термоядерным топливом (дейтерий и тритий). Эти мишени подвергаются воздействию мощных и коротких импульсов ультрафиолетового лазера, что вызывает их резкое сжатие и нагрев, приводящие к реакции ядерного синтеза.
Одна из особенностей установки NIF — используемая технология обжатия и разогрева плазмы. Лазерные импульсы, облучающие капсулу с топливом, направляются не напрямую, а на специальный контейнер, называемый хольраум ( hohlraum). Контейнер изготовлен из золота и при быстром нагревании генерирует рентгеновское излучение. Его форма спроектирована для обеспечения равномерного облучения капсулы с топливом со всех сторон. Капсула, в свою очередь, мгновенно испаряется, что приводит к одновременной сильной компрессии и нагреву дейтерия и трития до миллионов градусов. Результатом всего процесса должна стать термоядерная реакция, длящаяся лишь несколько мгновений.
Хотя описанные процессы выглядят довольно простыми, создать работоспособную схему удалось лишь в конструкции взрывного устройства. Каждый новый эксперимент, направленный на управляемый термоядерный синтез, выявляет все более серьезные трудности и ограничения. Так, в первые три года после запуска NIF на установке удалось достичь энерговыделения плазмы всего лишь в один килоджоуль. При этом мощность рентгеновского потока в хольрауме достигала 21 килоджоуля, а лазерный импульс для его производства вовсе имел мощность 1,8 мегаджоуля. Вопреки всем теоретическим расчетам разогреву плазмы мешали ранее неучтенные факторы — от микрометровых неровностей на капсуле с топливом до искажения пучка рентгеновского излучения поддерживающими мишень проводами.
Негативное влияние этих результатов коснулось репутации всей программы исследований управляемого термоядерного синтеза. Особенно учитывая, что строительство Национального комплекса лазерных термоядерных реакций стоило американским налогоплательщикам четыре миллиарда долларов (что в четыре раза превышает первоначальный бюджет). После первой серии экспериментов команде NIF не удалось достичь запланированных результатов, вся судьба проекта оказалась под вопросом. Финансирование комплекса урезали, а его ресурсы перенаправили на другие исследования.
В последние годы распределение «выстрелов» установки выглядит следующим образом: около 10% используется для фундаментальных физических исследований, 30% направляется на эксперименты в области управляемого термоядерного синтеза, а оставшиеся используются для военных нужд, которым требуется моделирование взрывов термоядерных бомб с целью проверки работоспособности боеголовок. При этом нельзя сказать, что сотрудники NIF ничего не добились на поприще УТС.
Уже в 2013 году, в ходе анализа экспериментов с энерговыделением плазмы, составлявшим 10-14 килоджоулей, было установлено, что топливо поглотило меньше энергии в виде рентгеновского излучения, чем было высвобождено в результате реакции синтеза. Это стало значительным достижением, хотя и не столь впечатляющим, как ожидалось. Позднее установка претерпела существенные улучшения, включающие добавление детекторов в вакуумную камеру и увеличение мощности лазеров. Это позволило детально изучить поведение мишени внутри хольраума во время облучения и протекания реакции.
Повышение энерговыделения плазмы, достигнутое благодаря улучшениям на всех этапах экспериментов, стало значительным. Это потребовало изменения схемы работы лазеров: теперь они испускают импульсы последовательно по сложной схеме, вместо одновременного облучения мишени. Кроме того, была повышена точность изготовления хольраума и проведены испытания с различными материалами капсулы для топлива. Марк Херрманн, опираясь на результаты десятилетней работы, прогнозирует зажигание плазмы в ходе следующей экспериментальной кампании.
Сможет ли американским ученым достичь значительного прогресса в термоядерной энергетике, покажет будущее. В настоящее время развитие технологий управляемого термоядерного синтеза идет с трудом. Сложности возникают из-за необходимости управления сложными фундаментальными физическими процессами. И хотя существуют модели и прогнозы, каждый новый эксперимент может выявить неожиданные результаты, которые поставят под сомнение оптимистичные ожидания. Ярким примером тому служит история Национального комплекса лазерных термоядерных реакций.