Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2008 год

Лазерное зажигание

Однако чтобы микровзрыв произошел, надо успеть за миллиардные доли секунды нагреть топливный шарик до термоядерной температуры. Сделать это можно с помощью мощных лазеров. Такие эксперименты проводятся уже около 30 лет. В лабораториях России, Франции, Японии, США построены лазеры с энергией до 20 000 джоулей. А в 2009 году в США должна заработать самая мощная лазерная установка NIF с энергией импульса до 1,8 миллиона джоулей.

Лазерные лучи со всех сторон направляют на мишень, содержащую термоядерное топливо. Это смесь дейтерия с тритием, охлажденная ниже температуры плавления водорода, то есть примерно до 10 градусов Кельвина (–263 °C). Под действием светового давления и реактивной силы от испаряющегося с поверхности вещества происходит одновременно сильное сжатие и нагрев мишени. Расчеты показывают, что если достичь плотности в 1000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для поджига термоядерной реакции. Но пока в экспериментальных установках плотность возрастает лишь в 30—40 раз. Основное препятствие — недостаточная равномерность освещения мишени. Даже небольшие (в несколько процентов) различия скорости сжатия по разным направлениям приводят к деформации мишени, и плазма буквально просачивается между лазерными пучками.

Для более равномерного сжатия в последнее время стали применять схему непрямого облучения мишени. Твердый дейтерийтритиевый шарик помещают в оболочку из материала с большим зарядом ядра, например урана или золота. Лазерные лучи вводят в нее через два окна так, чтобы, не задев мишень, осветить внутреннюю поверхность оболочки. Она сразу превращается в слой горячей плазмы, испускающий мощное рентгеновское излучение, которое намного равномернее освещает мишень, вызывая ее сжатие.

Ожидается, что таким способом удастся достичь сжатия мишени в 4000 раз и получить в 100—200 раз больше термоядерной энергии, чем содержалось в лазерном импульсе. Впрочем, и этого мало: КПД лазера составляет около 2%, а значит, чистый выигрыш в энергии будет всего несколько раз. Возможно, ситуация улучшится, если разделить задачи сжатия и нагрева вещества: в качестве спички для поджига мишени, предварительно сжатой обычными лазерами, можно использовать появившиеся в последнее время лазеры с очень коротким импульсом — 10–11 секунды.

Еще одна проблема инерционного термоядерного синтеза — необходимость взрывать заряды несколько раз в секунду. Пока столь мощные лазеры дают по одному импульсу в несколько часов. Есть идея заменить их ускорителями ионов: у них значительно выше КПД, и они могут работать с высокой частотой. Но из-за электрического отталкивания ионов пучок трудно сфокусировать до нужного диаметра.

В целом положение с инерционным синтезом выглядит пока не слишком обнадеживающим. Но исследования продолжаются.

Тороидальные ловушки

Использование магнитного удержания плазмы выглядит более перспективным подходом к термоядерному синтезу. Главным препятствием на этом пути были различные неустойчивости. Плазма легко перетекает из области с сильным магнитным полем туда, где оно слабее. Ее давление в этом месте возрастает, вдобавок в ней возбуждается электрический ток, способный временно ослабить магнитное поле. В результате плазма может неожиданно вырваться из области удержания.

Наиболее успешным способом удержания оказались тороидальные магнитные ловушки. Если плазму замкнуть в кольцо, придав ей форму бублика (тора), и наложить вдоль тора магнитное поле, оно будет препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Вдоль силовых линий частицы плазмы могут перемещаться свободно, но при этом они все время остаются внутри ловушки, не сталкиваясь со стенками.

Правда, и тут все оказалось непросто. Магнитному полю в тороидальной ловушке надо придавать сложную винтообразную конфигурацию. Решая эту проблему, американские и советские ученые пошли разными путями. Лайман Спитцер в США предложил использовать специальные винтовые обмотки. Спитцер назвал свое изобретение стелларатором — что-то вроде «звездного тора».

В СССР для создания винтового поля в тороидальной камере решили пустить электрический ток прямо по плазме — она проводит электричество ничуть не хуже меди. Идея оказалась настолько успешной, что название установки токамак, образованное от слов «ток», «камера» и «магнитное поле», теперь известно всему миру.

С тех пор идет непрерывное соревнование токамаков и стеллараторов. Вначале успешнее развивались исследования на стеллараторах. Были изобретены и опробованы различные способы нагрева плазмы — током, текущим по плазме, магнитной накачкой, радиоволнами, придумано очень эффективное устройство очистки плазмы от примесей — дивертор. Температуру плазмы удалось довести до 1 миллиона градусов, но вот со временем удержания дела обстояли неважно — оно составляло лишь тысячные доли секунды, а с ростом температуры еще более сокращалось.

Робот-манипулятор обслуживает рабочую камеру крупнейшего в мире действующего токамака JET, Великобритания. Фото: SPL/EAST NEWS

Успехи токамаков

На токамаках в это время основной проблемой был радиационный барьер. Прорываясь сквозь магнитное поле, плазма касалась фарфоровой стенки камеры и загрязнялась атомами кремния, углерода, кислорода. Они ярко светились, и вся вкладываемая в плазму энергия уходила с этим излучением. Температура не поднималась выше 100—300 тысяч градусов. Преодолеть радиационный барьер удалось в результате долгой и кропотливой работы по совершенствованию конструкции. Фарфор заменили нержавеющей сталью: при прогреве до 300 °С из нее уходит вода, а с ней и кислород. Введение безмасляной откачки с помощью титановых и турбомолекулярных насосов значительно снизило поступление в плазму углерода. Удалось также подавить самые грубые колебания плазмы и получить почти «спокойную» плазму. Все это позволило к 1968 году достичь в токамаке Т-3 температуры 10 миллионов градусов — на порядок выше, чем в стеллараторах.

Американским ученым очень не хотелось в это верить, и они подвергли сомнению методику измерений столь высокой температуры. Тогда академик Лев Арцимович пригласил английских ученых приехать в Москву со своими приборами и самим измерить температуру плазмы. Она оказалась даже еще выше — около 12 миллионов градусов. Была также измерена и мощность термоядерной реакции. При этой температуре она составила 0,005 ватта. После этого в США прокатилась волна оргвыводов: все работы по стеллараторам были прекращены, а на месте самого большого из них был построен токамак — точная копия советского. Началось триумфальное шествие токамаков.