Зажгли

Физики совершили прорыв в поисках бесконечной и экологически чистой энергии, сообщила в понедельник Financial Times со ссылкой на источники и вслед за ней — сотни других изданий. Ученые из Ливерморской лаборатории подтвердили: они смогли получить на лазерной установке NIF больше энергии, чем было потрачено на зажигание термоядерной реакции. Было много раз сказано «прорыв» и «впервые». Попробуем разобраться, что случилось.

Термоядерную реакцию вполне серьезно можно назвать «святым Граалем» энергетики. Топливом для нее служат доступные человеку изотопы водорода — дейтерия, например, на Земле целый океан, никаких долгоживущих радиоактивных отходов, никаких выбросов парниковых газов — просто мечта.

Но грааль этот кажется почти недоступным. Для того, чтобы положительно заряженные ядра слились, нужно преодолеть кулоновское отталкивание, нужна сила, которая их сблизит и удержит достаточно долго, чтобы произошла реакция.

Для запуска слияния ядер изотопов водорода — нужны экстремально высокая температура и давление — как в недрах Солнца. Для термоядерной бомбы такие условия создает бомба плутониевая, которая играет роль запала. Но взрыв водородной бомбы вряд ли можно рассматривать как надежный источник энергии.

Магистральным путем для попыток создать устойчиво работающий термоядерный реактор стали токамаки, где плазменный шнур в тороидальной камере удерживает магнитное поле. Ученые рассчитывали, что при достаточно высокой температуре в этом шнуре начнется реакция с положительным выходом энергии, то есть энергии будет выделяться больше, чем затрачено. Рассчитывают они на это и сейчас, и строят в надежде на это международный термоядерный реактор ИТЭР (читайте о нем в нашем материале «Солнце в бутылку!»).

Быстрее взрыва

Но наш главный герой — устройство, совсем не похожее на токамак. Это установка NIF (National Ignition Facility — можно перевести как «Национальная зажигательная лаборатория») была построена в США в конце 1990-х годов для изучения управляемого термоядерного синтеза с инерциальным конфайнментом и непрямым лазерным обжатием.

Главное слово в этом длинном поезде терминов — прилагательное «инерциальный». Если вы попытаетесь нагреть капсулу с термоядерным топливом (скажем, смесью дейтерия и трития) до очень высоких температур, при которых теоретически может начаться реакция синтеза, то задолго до нужного градуса и капсула и ее содержимое испарятся и рассеются в пространстве. Именно поэтому создатели токамаков тратят столько усилий на удержание плазмы в ограниченном объеме, чтобы не терять нужные для синтеза плотность и температуру топливной смеси.

Но если вы сумеете сжать и нагреть топливо очень быстро и очень сильно, то термоядерная реакция в нем будет идти быстрее, чем разлет вещества капсулы и ее охлаждение. Иначе говоря, инерциальное удержание (то есть конфайнмент) состоит в том, что и реакция, и выделение энергии происходят до того, как вещество наконец соберется разлететься — точно как в термоядерной бомбе после того, как в ней сработает атомный запал.

Как это сделать? Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного внутрь симметричного взрыва — имплозии — обычной взрывчатки.

В 1978 году в письме в Nature физики из ядерного центра в Арзамасе-16 сообщали, что проводили такие эксперименты в 1955 и 1963 годах и достигли успеха — то есть смогли зафиксировать нейтроны, порожденные, по их мнению, термоядерной реакцией в тритиево-дейтериевой мишени. Но к тому моменту у ученых появился значительно более удобный, чем раствор нитробензола в тетранитрометане, инструмент — лазер.

Лазерный пресс

Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью, где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития (и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции).

За океаном в то же время ходили похожие идеи. Например, американский «отец» водородной бомбы Эдвард Теллер в 1957 году обдумывал вариант взорвать термоядерное устройство в трехсотметровой полости в толще гранита для получения энергии. Это заставило его и его сотрудников искать ответы на два вопроса: каким может быть наименьший энергетический выход термоядерной реакции, который бы имел смысл для коммерческого использования, и какого уровня энерговыделения можно добиться, не используя для запуска реакции «ядерный запал».

Эти вопросы через некоторое время привели их к мысли об использовании лазера — как способа концентрации энергии в очень небольшом пространстве, что позволяло бы достичь необходимых давлений и температур в маленьком объеме топлива, горения которого бы не было разрушительным по масштабу.

В 1972 году Джон Накколс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами опубликовал в Nature статью, где описал главные черты установки для лазерного термоядерного синтеза и даже привел вычисления, касающиеся ее коммерческой эффективности.

Главное преимущество лазера, писал Накколс и его соавторы, состоит в том, что он позволяет создать сверхвысокую плотность вещества, необходимую для зажигания термоядерной реакции. Механические средства могут создать давление не более 10⁶ атмосфер, этот предел задается прочностью химических связей. Взрыв химической взрывчатки может создать давление от 10⁶ до 10⁷ (в центре имплозивного взрывного устройства). Но это еще далеко до нужных для инерциального синтеза параметров. Лазерное излучение может довести давление до 10⁸ — 10¹¹ атмосфер и даже выше.

Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени.

Но достичь успеха удалось не сразу. Любые неравномерности в обжатии мишени разрушали ее задолго до момента схлопывания к нужному размеру и достижения нужной плотности и температуры.

Ученые подыскивали способы эффективнее обжимать топливные капсулы. Изначальная концепция нагрева и сжатия капсулы лазерами потребовала бы порядка 100 мегаджоулей, но физики придумали вариант, где разгоняющиеся внешние плотные слои из топливного льда сжимают газовую топливную смесь, разогревая ее ударной волной сжатия — такая концепция требовала уже 2-3 мегаджоуля, в 30 раз меньше!

Параллельно ученые в попытке добиться инерциального конфайнмента пробовали и увеличить «массу молотка», то есть энергии, которая «вкачивалась» в мишень за один выстрел (начав с единиц килоджоулей, физики к 1980-м пришли к энергиям в десятки, а то и сотню килоджоулей за выстрел), так и поменять саму схему эксперимента.

В середине 1970-х годов физики решили поставить между лазерным излучением и мишенью посредника, то есть попробовать метод «непрямого воздействия». В этом варианте топливная капсула размером в миллиметр подвешивалась в центре небольшого золотого или свинцового сосуда, который получил название хольраум (от немецкого Hohlraum, «пустое пространство, полость», термин взят из работ Макса Планка, посвященных излучению абсолютно черного тела). Детали их производства оставались в секрете до 1994 года.

Под действием излучения лазера внутренняя поверхность сосуда становилась источником рентгеновского излучения, которое и попадало в мишень, запуская термоядерную реакцию. В рентген должно было превращаться от 70 до 80 процентов энергии лазерного излучения. В этом варианте поток излучения гораздо более равномерен и капсула, в теории, должна была сжиматься ровно, без искажения формы. Впрочем, на практике путь к этому оказался долгим.

Рождения героя

После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля.

Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни.

В реальности все оказалось еще скромнее. Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало.

Главным клиентом NIF было NNSA, агентство ядерной безопасности, занимающееся разработкой и жизненным циклом ядерного оружия в США. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания. И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования. Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы.

Как итог — в 2019-2020 году выход термоядерной энергии в экспериментах NIF начал заметно расти, перешагнул порог 100 килоджоулей, а весной 2021 года несколько выстрелов дали энергии от 400 до 700 килоджоулей и наконец 8 августа 2021 года — 1350 килоджоулей.

Эта энергия в 2-5 раз превосходила энергию рентгеновского излучения от стенок хольраума и в 10-20 раз — энергию, переданную топливной сфере и свидетельствовала о том, что зажженная термоядерная реакция в маленькой точке в центре сжатой сферы успевает прогреть и поджечь окружающий ее относительно холодный топливный материал. В ходе этого, рекордного на сегодня, эксперимента сгорело 4 микрограмма термоядерного топлива, примерно 1/500 от начального объема.

Теперь ученые, работающие в NIF провели пресс-конференцию, где рассказали, что 5 декабря 2022 года, при мощности лазера в 114 процентов от номинальной командой было получено заметное превышение выхода термоядерной энергии (3,15 мегаджоулей) над вложенной энергией лазера (2,05 мегаджоулей), что является рекордным достижением для всех установок термоядерного синтеза.

Журнал Science добавляет несколько деталей про выстрел 5 декабря. Рекордный эксперимент потребовал заметных усилий от команды экспериментаторов. Для корпуса топливной капсулы использовался искусственный алмаз, который давал наиболее гладкую сферическую поверхность без пор. Было максимально уменьшено отверстие, через которое капсула заполняется топливом. Лазер был настроен на максимальную мощность и энергию, что позволило придать испаренной оболочке капсулы больше ускорения и сжать топливо чуть больше.

За три месяца до рекорда, команда NIF уже опробовала эти улучшения, получив энерговыход в 1,2 мегаджоуля. Проблема, как оказалась, лежала в недостаточно симметричном обжатии, на последнем этапе капсула превратилась скорее в блин, чем в плотный шарик. Путем подстройки мощности каждого из 192 лучей удалось улучшить сферичность сжатия и как итог — получить рекордную термоядерную энергию. Никаких других подробностей об эксперименте нет: команда не опубликовала научную статью о своем результате.

Много это или мало?

Эффективность термоядерных установок оценивают в Q — это отношение выделившейся термоядерной энергии к вложенной в плазму энергии нагрева. Для прошлого рекордного эксперимента на NIF термоядерный выход составил 1,35 мегаджоуля, энергия лазера — 1,8, что дает Q = 0,75. Сейчас Q в эксперименте на NIF достиг значения 1,54.

Это значительно лучше достижений другой ветви управляемого термоядерного синтеза — магнитного удержания плазмы с помощью токамаков. Например, рекорд общеевропейского токамака JET, установленный еще в 1997 году — Q = 0,7. Остальные типы устройств, например стеллараторы или открытые ловушки, не дотягивают и до Q = 0,01 на границе плазмы.

Однако с инженерной точки зрения эти показатели не очень существенны, поскольку важен баланс затраченной и полученной электроэнергии. И в этом смысле NIF пока прилично уступает передовым токамакам, его Qen (Q инженерное, измеряемое в электроэнергии) = 0,0027 против Qen токамаков = 0,1.

Посмотрим, что такое эксперимент на NIF с точки зрения баланса энергии (цифры взяты из эксперимента 2021 года):

• NIF тратит 400 мегаджоулей на работу ламп-вспышек и еще 100 мегаджоулей на другие нужды установки
• Лампы-вспышки накачивают примерно 50 мегаджоулей в активную среду генерации лазеров
• Затем 4,2 мегаджоуля инфракрасного лазерного излучения конвертируют в ультрафиолет
• Лазерный ультрафиолет приносит в хольраум 1,8 мегаджоуля
• Хольраум производит 300 килоджоулей рентгеновского излучения
• Капсула поглощает 40-50 килоджоулей рентгена и схлопывается, производя термоядерную энергию — 1,35 мегаджоулей.

В декабрьском эксперименте термоядерной энергии выделилось более чем в два раза больше — 3,05 мегаджоулей. Цифры говорят, что инженерам еще надо долго совершенствовать установку, чтобы она научилась перекрывать начальные затраты в сотни мегаджоулей.

Поэтому, хотя нам может показаться, что мы видим смену лидера — после 50 лет превосходства токамаков в Q, внезапно вперед вырывается инерциальный синтез, зрелость токамаков, как энергетических установок значительно выше.

Инженерам придется ответить на множество вопросов: как оптимально поглощать и отводить на генераторы гигаджоули энергии, выделяющиеся в шарике размером несколько микрон? Как эффективно получать несуществующий на земле изотоп тритий, используемый в качестве топлива? Как дешево и массово производить мишени, требующие рекордных характеристик? Как сделать надежной и недорогой лазерную установку, которая должна выдавать несколько мегаджоулей раз в секунду или около того, тогда как сегодня ее подготовка к одному выстрелу занимает полдня, и как быстро устранять ее неисправности?

Многие десятилетия результаты установок с инерциальным удержанием вызывали скепсис и уныние, а строительство новых установок финансировалось только военными. Казалось, что это направление никогда не перейдет в рост. Но последние два года показали, что это была экспонента, по которой ученые уже прошли большую часть и преодолели большинство принципиальных физических проблем. Остались инженерные и экономические трудности, которые могут стать и запретительными на пути к инерциальной термоядерной энергетике, а могут и нет. Но — сегодня у человечества появился принципиально новый вариант на пути к «Граалю».