«Национальная поджигательная установка» резко повысила эффективность термоядерного синтеза

Рис. 1. Центральная зона «Национальной поджигательной установки» NIF. На крошечную мишень, установленную в центре этой сферической камеры, нацелены 192 лазерных луча высокой мощности. Ожидается, что их коллективный световой удар позволит зажечь в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом управляемую термоядерную реакцию. Фото с сайта lasers.llnl.gov

Американский проект NIF по изучению инерциального управляемого термоядерного синтеза преодолел важный рубеж. В двух сеансах работы, проведенных в конце 2013 года, энергетический выход термоядерной реакции в микрокапсуле с дейтериево-тритиевым топливом оказался больше, чем подведенная к топливу энергия. В тех же экспериментах был впервые зарегистрирован сильный самостоятельный разогрев топлива за счет альфа-частиц. Главная цель NIF — зажигание полноценной самоподдерживающейся термоядерной реакции — пока не достигнута, но полученные результаты вновь позволяют NIF с оптимизмом смотреть в будущее.

В начале февраля в журналах Nature и Physical Review Letters вышло сразу три статьи, посвященные недавним результатам американской «Национальной поджигательной установки» (National Ignition Facility, NIF). Этот исследовательский комплекс, запущенный в 2009 году в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, изучает возможность реализации инерциального управляемого термоядерного синтеза. Главная цель проекта — продемонстрировать, что с помощью мощных лазеров можно запускать управляемую термоядерную реакцию с хорошим энергетическим выходом. При соответствующем развитии технологий в будущем это сделает термоядерный синтез исключительно эффективным и экологически чистым источником энергии.

Прежде чем описывать опубликованные NIF результаты, с этого сообщения нужно сдуть некий налет сенсационности. На первый взгляд заголовки статей очень впечатляют: в NIF получен энергетический выход, превышающий поглощенную мишенью энергию. Эта фраза звучит словно объявление о том, что эффективный источник термоядерной энергии заработал и теперь дело переходит в индустриальную плоскость. Увы, всё обстоит совсем не так. Настоящий энергетический выход — то есть сколько получено термоядерной энергии по сравнению с полной затраченной энергией — остается очень низким, не более одного процента. Поэтому ни о каком полезном применении для энергетики ни сейчас, ни в обозримом будущем речи пока не идет. Исследования здесь находятся лишь в стадии доказательства принципиальной работоспособности технологии.

Тем не менее полученный NIF результат пусть и не сенсационен, но тоже очень важен. Он на порядок лучше, чем всё то, что на NIF удавалось получить до сих пор, и к тому же заключает в себе первые серьезные намеки на принципиальную осуществимость проекта.

Управляемый термоядерный синтез

Есть два основных типа ядерных реакций, которые идут с выделением энергии, — это расщепление тяжелых ядер (например, урана или плутония) и слияние легких ядер (обычно дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода, рис. 2). Энергия, получаемая при расщеплении — это то, что обычно называется ядерной энергией, именно на ней работают атомные электростанции. Энергия, получаемая при слиянии, называется термоядерной энергией, а сам процесс — термоядерным синтезом. Энергетический выход термоядерной реакции существенно выше, чем у ядерного топлива, однако приручить этот тип энергии пока не удалось. Конечно, существуют атомные бомбы, работающие по обоим принципам, но их взрыв представляет собой неуправляемую реакцию, и для целей добычи энергии он не подойдет.

Рис. 2. Классическая реакция термоядерного синтеза: ядра дейтерия и трития сливаются друг с другом с образованием альфа-частицы и свободного нейтрона и с выделением энергии. Рисунок из статьи M. Herrmann, 2014. Plasma physics: A promising advance in nuclear fusion

Большинство специалистов связывают основные надежды по достижению управляемого термоядерного синтеза с магнитными ловушками, и прежде всего с международным проектом ITER (для первого серьезного знакомства можно порекомендовать лекцию Кристофера Ллуэллин-Смита На пути к термоядерной энергетике). Но параллельно с этим уже давно разрабатывается и другая схема для запуска управляемой термоядерной реакции — инерциальный термоядерный синтез. Она еще не так развита, как термояд с магнитным удержанием, но некоторые специалисты надеются, что именно на этом пути будет получен первый удобный источник термоядерной энергии.

Принцип работы инерциального термоядерного синтеза звучит просто. Берем маленькую капсулу с дейтериево-тритиевой смесью и резко сжимаем ее, например, с помощью сверхмощного лазерного импульса. Капсула от такого сжатия сильно нагревается, и в самом ее центре в условиях высоких температур и давлений зажигается термоядерная реакция. Выделяющаяся энергия разогревает остальную часть дейтериево-тритиевого горючего, и термоядерная реакция охватывает всю капсулу. Подставляя всё новые и новые капсулы под лазерный луч, мы получаем постоянное производство энергии. К сожалению, техническая реализация этой простой идеи неимоверно сложна. Трудности здесь, в основном, технического характера (прежде всего, неустойчивости при сжатии капсулы), но преодолеть их пока не получается. Для той же установки NIF моделирование показывает, что термоядерная реакция вроде бы должна при нынешних параметрах запускаться без проблем, но физикам до сих пор не удавалось не только выйти на этот режим, но и даже приблизиться к нему.

Главный результат новых публикаций NIF заключается как раз в том, что эмпирическим путем был подобран такой режим работы, при котором по крайней мере одна трудность была преодолена, и стали появляться первые намеки на настоящую термоядерную реакцию с хорошим энергетическим выходом.

Работа установки NIF

Чтобы зажечь термоядерную реакцию в капсуле с топливом, требуется создать в ее центре область очень высокой температуры (порядка 100 млн градусов) и большой плотности. При меньшей температуре реакция термоядерного синтеза толком не начнется, а при низкой плотности центральная область быстро остынет, не сумев дать заметный энергетический выход. Но для полноценного термоядерного горения этого мало. Если мы хотим, чтобы центральная область не просто загорелась и потухла, а породила самоподдерживающийся термоядерный синтез во всей капсуле, нужно, чтобы топливо разогревало само себя. Это происходит тоже при высоких плотностях, когда рождающиеся в термоядерном синтезе альфа-частицы поглощаются прямо внутри топливной капсулы, а не улетают прочь.

Таким образом, можно сформулировать три ключевых задачи для установки NIF:
    1) добиться существенного термоядерного синтеза — количество энергии, выделившейся при синтезе, должно превышать энергию, поглощенную топливом;
    2) добиться устойчивого термоядерного горения всей топливной капсулы за счет саморазогрева альфа-частицами;
    3) добиться полной эффективности выше единицы — то есть энергетический выход должен превышать всю энергию, затраченную на зажигание реакции, а не только ту часть, которая поглощается непосредственно топливом.

Достижение этих целей — задача исключительно непростая. Если просто изготовить капсулу из нужного топлива и сфокусировать на ней мощный лазерный луч, то никакого сжатия не произойдет: капсула просто нагреется и испарится. Даже если сфокусировать несколько лазерных лучей со всех сторон, тоже проку будет немного. Капсула частично испарится, частично сожмется, но сжатие будет сопровождаться сильными искажениями формы (это неустойчивость Рэлея–Тейлора, характерная для многих гидродинамических течений). При неравномерном сдавливании капсулы они быстро нарастают, и в результате вместо сильного сжатия оболочку с топливом просто разорвет на куски. Преодоление этих трудностей и является пока главной задачей в инерционном термоядерном синтезе.

Установка NIF использует две идеи, помогающие бороться с этими проблемами: слоистую капсулу и непрямое обжатие (рис. 3). Чтобы не потерять топливо при нагревании, внешняя оболочка капсулы делается из пластика, а дейтериево-тритиевая смесь наносится в виде льда на внутренную поверхность этой оболочки. Внешний слой поглощает лазерный импульс, резко нагревается и расширяется, ударным образом сжимая при этом внутреннюю часть капсулы. Эта внутренняя часть разгоняется до высоких скоростей — и резко останавливается, когда схлопывающаяся ударная волна проходит через центр. Именно этот процесс сжатия и прохождения ударных волн сильно уплотняет центральную область и разогревает вещество до многих миллионов градусов. Интересно отметить, что похожие процессы, но при меньших масштабах температур и давлений, происходят и при ультразвуковой кавитации.

Рис. 3. Принцип работы инерциального термоядерного синтеза с непрямым обжатием. Мощная лазерная вспышка попадает внутрь маленькой камеры, превращает ее в облачко плазмы высокой температуры. Эта плазма излучает тепловое рентгеновское излучение, которое уже и сжимает слоистую капсулу с топливом (структура капсула показана в разрезе). Схема из статьи G. Brumfiel, 2012. Laser fusion put on slow burn

Для равномерного давления на капсулу в установке NIF используется не только большое число лазерных лучей (192 синхронизованных луча, которыми можно независимо управлять), но и так называемое непрямое обжатие капсулы (рис. 3). Лазеры не светят прямо на поверхность капсулы, они освещают внутренность маленькой, сантиметрового размера, цилиндрической камеры, в центре которой находится слоистая капсула с топливом (рис. 4). Попадая на стенки камеры, лазерная вспышка резко ее испаряет и нагревает получившуюся плазму до 3 млн градусов. Плазма начинает светиться в рентгеновском диапазоне, и уже это рентгеновское излучение давит на капсулу. Такая схема работы позволяет получить более равномерное обжатие, а также позволяет избежать слишком быстрого испарения внешней оболочки капсулы.

Рис. 4. Центральная камера сантиметрового размера, внутри которой помещается капсула с топливом. Фото с сайта lasers.llnl.gov

Впрочем, несмотря на все эти идеи, энергетический выход экспериментов на NIF долгое время оставался невысоким. Конечно, последствия термоядерной реакции были замечены, но эта реакция была слабоватой. Даже если сравнивать выделившуюся энергию с той энергией, которая непосредственно поглощается топливом, то выход тут до недавнего времени составлял от силы 20–30 процентов (рис. 5). Таким образом, NIF долгое время не удавалось даже достичь первой цели из приведенного выше списка.

Рис. 5. Результаты работы NIF за последние два с половиной года. По горизонтали отмечены отдельные лазерные «выстрелы» (шестизначный номер кодирует год-месяц-день выстрела) и для каждого выстрела показаны три величины: энергия, поглощенная топливом (черная отметка), энергия, выделившаяся в термоядерном синтезе за счет сжатия (синяя колонка), дополнительная термоядерная энергия, связанная с саморазогревом топлива альфа-частицами (красная колонка). Полная высота колонки показывает всю термоядерную энергию, выделившуюся при выстреле. Правая часть гистограммы, отмеченная как «high foot», отвечает новому режиму сжатия капсулы. Вставка показывает распределение выстрелов на диаграмме двух величин: по горизонтали обобщенный критерий Лоусона GLC (единица соответствует полноценному запуску реакции), по вертикали — доля нейтронного потока, вызванного разогревом альфа-частицами, по сравнению с прямым сжатием. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Вообще, надо сказать, что работает NIF очень неторопливо — два-три лазерных «выстрела» в месяц. Это и неудивительно: каждый выстрел уничтожает камеру с капсулой и требуется определенное время на ее установку, накопление энергии и подготовку нового выстрела. Из-за этой неторопливости и дороговизны всей установки к концу 2012 года сложилась угрожающая ситуация — руководству NIF пришлось даже отчитываться перед Конгрессом США о целесообразности продолжения этих исследований. Действительно, несколько десятков попыток в течение 2011–2012 годов не привели ни к какому улучшению, а вся работа NIF выглядела топтанием на месте.

Тем ценнее то, что удалось в NIF реализовать в 2013 году. Исследователи научились эффективно применять новую схему управления лазерными лучами. Во-первых, они задавали определенный временной профиль мощности лазерного импульса, а во-вторых, они независимо настраивали частоту разных лазерных лучей, попадающих в камеру под разными углами. Это позволило настраивать зависимость от времени того рентгеновского излучения, которое возникает при испарении камеры и сжимает капсулу. Отчасти с оглядкой на формулы, а отчасти эмпирическим путем был подобран временной профиль, при котором температура испарившейся камеры сначала резко прыгает до миллиона градусов, а потом в два этапа — до 2,5 миллионов (такой режим был назван профилем с высоким подножием, «high-foot»). При таком нагреве в капсуле запускается три умеренно сильных ударных волны, которые вызывают меньшие деформации, чем раньше. В результате центр капсулы удается сжать до меньших размеров и больших плотностей, что приводит к повышению температуры и более эффективной термоядерной реакции.

Действовать методом проб и ошибок — дело очень ответственное при таком неторопливом режиме работы. Первые несколько комбинаций параметров не принесли успеха, и только три последние попытки позволили резко повысить энергетический выход по сравнению со всеми прошлыми попытками (рис. 5). Рекордными оказались выстрелы, произведенные 27 сентября и 19 ноября прошлого года. Опубликованные в статьях результаты относятся прежде всего к этим двум сеансам работы.

Рекордные выстрелы

Наблюдение за результатами лазерного выстрела велось с помощью целого арсенала инструментов — применялось свыше 50 различных диагностических методик! Это позволило проследить за всеми аспектами схлопывания капсулы и восстановить физические условия в этом процессе. Для рекордных выстрелов были получены следующие данные. Пиковая скорость сжатия оболочки с топливом достигает 300 км/с, это одна тысячная от скорости света. В самом центре капсулы в момент максимального сжатия плотность достигает 50 г/см³, а давление вырастает до 100 млрд атмосфер, что сравнимо с давлением в центре Солнца. Температура доходит до 60 млн градусов, а это уже достаточно для запуска термоядерной реакции синтеза. И действительно, в момент максимального сжатия, за время меньше наносекунды, было зарегистрировано порядка 5·10¹⁵ нейтронов с энергией, которая ожидается при термоядерной реакции слияния дейтерия и трития.

Рис. 6. Изображения центральной горячей зоны в сеансе работы 27 сентября 2013 года. Изображения a, b — это вид сбоку и сверху в мягких рентгеновских лучах, цвет здесь передает относительную яркость свечения. Изображение c — реконструированный трехмерный профиль области горячей зоны, в которой видны небольшие деформации. Изображение d — нейтронный «снимок» центральной области; красная область отвечает нейтронам с энергией 13–17 МэВ и непосредственно показывает область реакции, голубой цвет — нейтроны с энергией от 6 до 12 МэВ. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Энергетический баланс реакции подводился с помощью рентгеновских и нейтронных наблюдений (рис. 6). Они показали, что самая горячая центральная область оставалась более-менее сферической вплоть до максимального сжатия — это доказывает, что физикам до какой-то степени удалось побороть неустойчивость при сжатии. Размеры горячей области и длительность ее свечения позволили найти, сколько энергии было поглощено топливом (примерно 9 кДж в выстреле 19 ноября). А зная нейтронный поток, можно было сосчитать энергетический выход реакции — около 17 кДж. Таким образом, в рекордном выстреле в ходе термоядерной реакции было произведено примерно вдвое больше энергии, чем было вложено в топливо. При этом во всех предыдущих попытках за три года работы установки это отношение не превышало 30% (см. рис. 5).

Второй важный результат, полученный в рекордных выстрелах, тоже можно увидеть на рис. 5. Опять же, благодаря совокупности наблюдений удалось выяснить, какая часть нейтронного потока была вызвана простым нагревом из-за сжатия, а какая возникла за счет дополнительного разогрева альфа-частицами. Выяснилось, что в рекордных выстрелах дополнительный разогрев увеличивал поток примерно вдвое, и это намного превышало предыдущие значения. Таким образом, этот процесс впервые эффективно заработал в NIF, а значит, еще немного — и будет достигнута вторая цель NIF, полноценное самоподдерживающееся термоядерное горение всего топлива в капсуле. Измерения показали, что во время рекордных выстрелов выгорело лишь несколько процентов от всего объема дейтериево-тритиевого топлива. Если реакцию удастся запустить, энергетический выход возрастет еще как минимум на порядок.

Что нужно сделать исследователям, чтобы достичь этой цели? Общая идея ясна: надо постараться повысить плотность или размер центральной области хотя бы раза в два. Этого можно достичь, еще больше увеличив скорость сжатия капсулы за счет повышения энергии вспышки. Технически это сделать можно, проблема только в том, что чем больше энергия, тем более неустойчивым будет сжатие. Впрочем, авторы статьи пишут, что у них есть еще идеи, как с этой неустойчивостью можно бороться. Во-первых, они хотят поэкспериментировать с формой камеры. Когда камера испаряется под действием лазерного импульса, возникающее облачко плазмы в какой-то мере помнит форму камеры, а значит, от нее зависит и равномерность облучения капсулы. Во-вторых, можно попробовать и другие материалы для оболочки капсулы — это может сказаться на том, какие ударные волны запускаются внутрь топлива при нагреве и расширении этой оболочки.

А вот что касается третьей, самой главной цели NIF — достижения энергетического выхода, превышающего всю затраченную на выстрел энергию, — то тут работа предстоит еще очень долгая. Пока что энергетический баланс в рекордном выстреле таков. Полная энергия световой вспышки составляет примерно 2 МДж. Она тратится на испарение и нагрев камеры, и лишь небольшая ее доля (примерно 150 кДж) поглощается капсулой. Но даже эта энергия тратится в основном на нагрев и расширение пластиковой оболочки, так что непосредственно топливу передается всего около 10 кДж. Выделившаяся энергия в 17 кДж, конечно, превышает энергию, поглощенную топливом, но по сравнению со всей энергией вспышки это сущий пустяк. Энерговыделение надо увеличить раз в сто — вот тогда главная цель будет считаться достигнутой. Реально ли это сделать на установке NIF или нет — пока непонятно. Тем не менее поиск небезнадежен. Новые результаты придали этому эксперименту новые силы и новые надежды — то, что казалось слепым поиском в течение 2011–2012 годов, в конце концов увенчалось успехом.

Источники:
1) O. A. Hurricane et al. Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion // Nature (2014); предварительная онлайн-публикация doi:10.1038/nature13008.
2) H.-S. Park et al. High-Adiabat High-Foot Inertial Confinement Fusion Implosion Experiments on the National Ignition Facility // Phys. Rev. Lett. 112, 055001 (2014).
3) T. R. Dittrich et al. Design of a High-Foot High-Adiabat ICF Capsule for the National Ignition Facility // Phys. Rev. Lett. 112, 055002 (2014).

См. также:
1) В. И. Бойко. Управляемый термоядерный синтез и проблемы инерциального термоядерного синтеза // Соросовский образовательный журнал, 1999, стр. 97–104.
2) В. В. Поступаев. Инерциальный термоядерный синтез (PDF, 3 Мб) — глава из лекционного курса по физике плазмы для студентов НГУ.
3) NIF experiments show initial gain in fusion fuel — пресс-релиз на сайте Ливерморской национальной лаборатории.
4) S. J. Rose. Viewpoint: Encouraging Signs on the Path to Fusion // Physics 7, 13 (2014).
5) Timeline of nuclear fusion — хронология исследований по термоядерному синтезу.

Игорь Иванов