Tермоядерный синтез — в лаборатории

В прошлом номере мы писали о том, что 4 июля, в День независимости США, на Большом адронном коллайдере в Женеве было доложено о регистрации бозонов Хиггса — загадочной частицы, которая может позволить понять образование и устройство нашей Вселенной. А на следующий день, 5 июля, в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли произошло еще одно знаменательное событие в научном и техническом мире. Самая большая лазерная система в мире произвела самый мощный лазерный выстрел в истории. Это был выстрел в мирных целях, который позволит в будущем решить одну из глобальных задач, стоящих перед нашей цивилизацией — обеспечение человечества дешевой и  экологически чистой энергией.

В Национальном комплексе зажигания (TheNationalIgnitionFacility — NIF) в мае 2009 года был введен в действие крупнейший в мире лазер, состоящий из 192 отдельных лазеров, излучение которых сводится в очень малую область для создания высокой температуры. Температуры настолько высокой, что она сравнима с той, которая поддерживается внутри нашего Солнца и других звезд. Солнце — источник энергии для всех планет, включая Землю. Внутри Солнца идут термоядерные реакции синтеза, которые собственно и являются источником солнечной энергии.

5 июля в камере облучаемой мишени в Ливерморском комплексе зарегистрирован импульс света с энергией 1,85 миллионов джоулей и мощностью 500 триллионов ватт (500 тераватт). 500 тераватт — это в тысячу раз больше, чем мощность, которая потребляется США в любой данный момент времени. Это не первое испытание лазерного комплекса в Ливерморе, но в этот раз был побит очередной мировой рекорд мощности лазера.

Лазерные импульсы со всех 192 лазеров выстреливают синхронно и в течение очень короткого промежутка времени — нескольких триллионных долей секунды. Вся эта исполинская мощь направляется на мишень, размер которой всего 2 миллиметра в диаметре. Вещество мишени, поглощая такую высокую энергию, переходит в состояние, когда «зажигается» термоядерная реакция синтеза, в результате чего и выделяется энергия.

Еще одной уникальной особенностью 192-х калифорнийских лазеров является пространственное подобие излучаемых ими лучей света — они совпадают по форме не менее, чем на 99 процентов.

Собственно затраты электричества на производство рекордного ультракороткого лазерного импульса невелики — от 5 до 20 долларов на выстрел. Если в ходе экспериментов удастся снять с облучаемой мишени энергию больше затраченной, то можно будет говорить, что термоядерный синтез осуществлен. Ливерморские ученые и инженеры надеются достичь этой краеугольной точки и осуществить первую в истории управляемую термоядерную реакцию уже к концу этого года.

Что же представляет собой 2-миллиметровая мишень? Она состоит из капсулы, сделанной из обедненного урана, внутри которой содержится смесь водорода, дейтерия и трития. Дейтерий и тритий — это тяжелые изотопы водорода, в которых помимо протона содержатся один и два нейтрона соответственно. Синтез изотопов водорода в термоядерной реакции производит гелий с выделением энергии.

  Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу поставили знаменитые советские физики О.А. Лаврентьев, А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм и Л.А. Арцимович в далеком 1951 году, когда они занимались разработкой водородной бомбы. Управляемый термоядерный синтез — это синтез тяжёлых атомных ядер из более лёгких для получения энергии. Он отличается от взрывного термоядерного синтеза (водородной бомбы) тем, что им можно управлять. В традиционной ядерной или атомной энергетике используются реакции распада, когда, наоборот, из тяжелых ядер получаются легкие. В Ливерморском проекте осуществляется синтез дейтерия(²H) и трития (³H), а потом планируют осуществлять синтез и гелия-3 (³He).

Следует отметить, что когда Национальный комплекс зажигания в Ливерморе начал строиться 15 лет назад, первоначальной целью было воссоздание условий, которые наблюдаются при атомном взрыве, но при этом с полным контролем происходящего. Это позволяет обходиться без подземных ядерных взрывов, которые по многим причинам не эффективны и не безопасны.