06.04.2009

Физики готовятся зажечь искусственное Солнце

Совсем скоро Солнце можно будет увидеть не только на небе условия, близкие к тем, что существуют внутри светила, физики смоделируют на Земле.

В конце марта завершилось строительство одной из самых мощных лазерных установок современности. С ее помощью физики планируют зажечь в земной лаборатории искусственное Солнце.

Значение такого проекта для плазменной физики можно сравнить со значением Большого адронного коллайдера (БАК) для физики элементарных частиц. Коллайдеру, впрочем, больше повезло с пропагандой: шумиха, поднятая вокруг будущих экспериментов, не улеглась до сих пор, хотя самих работ как таковых еще не было. А вот на лазерной установке NIF (National Ignition Facility), название которой не очень благозвучно переводится на русский как "Национальная зажигательная установка", эксперименты ведутся с 2003 года, когда в строй вступили первые 4 лазера из 192 запланированных. А спектр научных задач, которые предстоит решить с ее помощью, не менее широк, чем у БАКа, и по смелости они также не уступают.

Установка находится в Калифорнии - в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Ее уникальность определяется не только поистине небывалыми техническими характеристиками, но и драматической историей, которая затянулась больше чем на десять лет.

В декабре 1996 года министерство энергетики США официально одобрило сооружение NIF в Ливерморе. Работы начались в мае следующего года, и по плану NIF должна была войти в строй в 2003 году. В действительности времени и денег потребовалось гораздо больше, чем предполагалось: изначально стоимость NIF составляла 3,5 миллиарда долларов, но по факту превысила эту сумму на несколько сотен миллионов. В научном сообществе даже возникли споры, стоит ли проект вложенных в него средств. К счастью сторонников NIF, ее удалось отстоять, и в конце января нынешнего года последние элементы конструкции были установлены на свое место.

NIF предстоит стать флагманом среди собратьев. Установка включает 192 лазера (если быть точным - лазерных канала), которые работают в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 0,351 микрометра (микрометр - одна миллионная метра). Энергия импульса - до 1,8 мегаджоуля, причем вся она выделяется всего в несколько наносекунд (наносекунда - одна миллиардная секунды). Для сравнения: энергия лазера у сегодняшнего "лидера" среди подобных установок OMEGA (Рочестерский университет, США) составляет "всего" 40 килоджоулей, то есть в сорок пять раз меньше. Пиковая мощность NIF составит около 500 тераватт (500 триллионов ватт), что примерно в сто тысяч раз больше, чем мощность крупной электростанции.

Все это необходимо, чтобы, говоря образно, зажечь звезду в земной лаборатории. Если выражаться более научно, то речь идет об изучении с помощью лазера поведения вещества в экстремальных условиях. Каковы эти условия? "Давление до 100 миллиардов атмосфер, температура до 100 миллионов градусов и плотность в 100 граммов на кубический сантиметр, - говорит Эдвард Мозес, один из руководителей программы NIF & Photon Science. - Эти условия есть "внутри" ядерных взрывов, при взрывах сверхновых, а также в термоядерных реакциях, которые служат источником энергии для Солнца и звезд".

Прежде всего с помощью лазера можно изучать поведение вещества при ядерном взрыве - собственно, эти работы и были главной целью NIF, когда ее строительство только планировалось министерством энергетики США. Реальные испытания ядерного оружия запрещены, поэтому для изучения процессов, происходящих при взрывах, ученым приходится пользоваться компьютерными моделями. Как полагают специалисты, данные NIF помогут привести эти модели в большее соответствие с действительностью.

Вторая задача - эксперименты с инерционным удержанием плазмы. Под мудреным названием скрывается один из способов "зажечь" реакцию термоядерного синтеза, подобную той, что протекает внутри звезд. В такой реакции происходит слияние ядер легких элементов в более тяжелые: например, водорода и его изотопов в гелий. При этом высвобождается огромное количество энергии. Повторить процесс в лаборатории, однако, непросто. Ядра, заряженные положительно, отталкиваются друг от друга, и, чтобы заставить их слиться, надо очень сильно сжать и нагреть вещество. Задача нетривиальная: в звездах она реализуется за счет гравитационного притяжения (звезды сжимаются под силой собственной тяжести), но на Земле приходится искать другие способы.

Первый - удержать плазму магнитным полем. Такая схема используется, например, в токамаках. Из них наиболее известен проект реактора ITER, который сейчас совместными усилиями нескольких стран строится в Кадараше (Франция). Но есть и другой способ - попробовать импульсно нагреть порцию термоядерного топлива, причем время нагрева и сжатия должно быть настолько мало, чтобы плазма не успела разлететься и внутри нее пошел процесс термоядерного "горения". Фактически речь идет о микровзрыве. Такой процесс, в общем, был реализован в водородной бомбе, а теперь перед физиками стоит другая задача - сделать его управляемым.

Лазеры, весьма точно фокусирующие излучение, тем самым увеличивая его мощность, уже давно рассматривались как потенциальные инструменты для инерционного удержания плазмы. В теории все выглядит более или менее просто: мишень с топливом необходимо равномерно обжать со всех сторон, чтобы внутри пошла реакция синтеза. Но на деле все гораздо сложнее.

Для поджига прежде всего необходима необычайно большая энергия. NIF - первая установка, которая теоретически способна "зажечь" термоядерный синтез. Но дело не только в лазере. Как оказалось, сжать термоядерное топливо непросто. Первая приходящая в голову идея - ударить лучом по самой мишени - не годится, так как очень сложно добиться равномерности сжатия. А как только сжатие пойдет неравномерно, реакция сразу угаснет.

Физики решили обойти проблему с двух сторон. В лазерных установках, и в NIF в том числе, лазер должен "бить" не в мишень, а в стенки бокса-хольраума - специальной камеры размером 9 миллиметров в высоту и 5 - в длину, где находится мишень. В результате стенки начинают испускать поток рентгеновского излучения. Кроме этого, важна конструкция мишени. Для экспериментов на NIF будут использоваться полые шарики из бериллия диаметром 2 миллиметра, на внутренние стенки которых нанесена смесь дейтерия и трития - тяжелых изотопов водорода. Рентгеновское излучение, заполняющее хольраум, "испаряет" бериллиевую оболочку - происходит микровзрыв. Оболочка разлетается наружу, и при этом по закону сохранения импульса внутренняя смесь сжимается и нагревается, причем настолько сильно и быстро, что в образовавшейся плазме начинается термоядерная реакция.

Эксперименты по инерционному удержанию на NIF должны начаться в 2010 году, когда, как планируется, установка выйдет на полную мощность. По оптимистичному прогнозу Эдварда Мозеса, первая реакция, в которой количество выделенной энергии превысит количество вложенной, произойдет уже в 2013 году. А дальше исследователей ждет долгий путь к полноценному термоядерному реактору.

Впрочем, даже если цель и не будет достигнута, задачи лазера не исчерпываются только этим: возможности NIF открывают совершенно невиданные перспективы для астрофизических исследований, поскольку позволяют воссоздать с той или иной степенью приближения процессы, происходящие около черных дыр и внутри планет-гигантов, на ударных волнах от взрывов сверхновых звезд и гамма-всплесков. Исследователи планируют приоткрыть загадки еще одного важнейшего процесса Вселенной - синтеза тяжелых элементов. Таковыми считаются все элементы тяжелее железа, поскольку именно здесь пролегает раздел между элементами, которые появляются в реакциях синтеза внутри обычных звезд, и теми, что рождаются в более экстремальных условиях - внутри массивных звезд и при взрывах сверхновых, когда плотность и температура повышаются в миллионы раз. Если разобраться, как появляются тяжелые элементы во Вселенной, то можно понять, как сформировалась и эволюционировала Земля.

По словам Брюса Ремингтона, сотрудника Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, NIF открывает новую эпоху в физике высоких энергий и плотностей. Однако NIF не единственная - буквально "в затылок" американской установке дышит французский проект. В 2010 году должно завершиться строительство Laser Megajoule, который располагается около Бордо. Параметры этой установки сходны с параметрами американской. Более того, Европа намеревается шагнуть дальше - уже одобрен проект HiPER, в котором будет реализована другая, усовершенствованная система лазерного поджига мишени.

Наша страна также участвует в этом процессе: в Российском федеральном ядерном центре - ВНИИЭФ в Сарове планируется строительство лазерной установки "Искра-6", которая будет работать в том же, что и NIF, диапазоне ультрафиолетового света, но с немного меньшей энергией - около одного мегаджоуля. Разработан концептуальный проект, а в 2001 году при участии ведущих российских институтов уже был запущен базовый модуль будущей установки - четырехканальная установка "Луч". А это значит, что ближайшие десятилетия обещают стать исключительно интересными для физики плазмы.

Источники:

1. NewsLand