Три десятиліття досліджень, що проводяться в різних країнах, незабаром будуть, образно кажучи, сконцентровані в цьому маленькому циліндрику. Сконцентровані у вигляді променів загальною потужністю в 500 терават!

"Національна сірник" - так вільно можна перекласти назву цієї грандіозної лазерної установки. Днями було завершено її багаторічне будівництво, увінчалася пробним пуском приблизно на половині потужності. Незабаром «сірник» вперше запалить термоядерні реакції в кульці-мішені. На коротку мить на Землі з'явиться дуже маленька «ручна» зірка.

10 березня 2009 року американська «Національна установка запалювання» (National Ignition Facility - NIF) справила рекордний світловий імпульс в 1,1 мегаджоуля. При цьому промені системи в сумі несли в 25 разів більше енергії, ніж імпульс будь-якого іншого лазера, заявив директор NIF Едвард Мозес (Edward Moses).

Спалах тривала мільярдні частки секунди і послужила салютом на честь завершення будівництва однієї з найскладніших експериментальних установок людства. NIF - найбільша лазерна система на планеті - повинна нарешті відповісти на питання: чи можливо на практиці приручити термоядерні реакції за допомогою лазерної технології?

Керований термоядерний синтез з інерціальним утриманням плазми (Inertial confinement fusion - ICF) - альтернатива системам з магнітним утриманням (це токамаки і стелараторі).

І подібно до того, як знаменитий токамак-гігант ITER, будівництво якого міжнародне співтовариство веде зараз у Франції, вважається вінцем у своїй області, NIF являє собою найпотужнішу і складну установку для ICF.

До речі, інтенсивні роботи в цій сфері ведуться в різних країнах приблизно 30 років, а конкретно проект NIF налічує вже 15-річну історію, з яких на зведення комплексу пішло 12 років (і, зауважимо, приблизно $ 4 мільярди).

Познайомимося ж з ним ближче.

Основний принцип ICF, також іменований лазерним синтезом, простий. Зосередьте світло від безлічі потужних лазерів на маленькій мішені з суміші дейтерію і тритію. Миттєве випаровування зовнішнього шару створить реактивну силу, спрямовану до центру, що призведе до сильного стиску мішені і її розігріву до температури запуску термоядерної реакції.

Причому реакція, почавшись в центрі мішені, пошириться назовні в зовнішні, більш холодні її шари набагато раніше (буквально в наносекунди), ніж весь стиснутий матеріал розлетиться в сторони. Тому даний метод утримання гарячої плазми і названий інерціальним.

Однак попередні досліди показали, що навіть з великим числом лазерів прямим опроміненням з усіх боків важко домогтися рівномірного стиснення мішені, а це - ключ до всього.

Мікроскопічні нерівномірності, буквально невловимі оком, призводять до того, що гаряча плазма «розхлюпується», перш ніж ударна хвиля усередині кульки запустить ланцюгову і стійку реакцію синтезу. І навіть якщо деякі з ядер дейтерію і тритію в момент такого «удару» зіллються (а таке в колишніх дослідах, зокрема на установці Nova, вже відбувалося) - загальна мета не буде досягнута.

Тому в ряді попередніх родинних установок, а тепер і в самій NIF використовується інший метод створення рівномірного опромінення мішені - так званий непрямий привід (indirect drive). Полягає він у тому, що лазери направляють не в саму мішень з ядерним паливом, а в спеціальний порожнистий циліндрик під назвою hohlraum (його ви бачите на знімку під заголовком), виконаний із золота, всередині якого на полімерній розпірці і підвішений паливний кульку.

Потужний імпульс лазерів, що потрапляє через торцеві отвори на внутрішні стінки циліндра під точно розрахованим кутом, перетворює його в плазму, яка огортає паливний кульку і встигає видати потужний імпульс рентгенівського випромінювання, перш ніж розлетиться геть. Рентген і підриває головну мішень, не гірше, а навіть ефективніше, ніж підірвало б її пряме попадання лазерів.

Завдяки миттєвому випаровуванню зовнішнього шару кульки останній стискується так, що щільність речовини в ньому підскакує до 1 кілограма на мілілітр (тобто виявиться приблизно в 100 разів більша за густину свинцю). Температура ж виростає до 100 мільйонів градусів - це вище, ніж в центрі зірки. Така теорія ICF.

Цікаво, що фізики вже вміють за допомогою лазерів нагрівати речовину якраз до температури центру Сонця, тобто до 10 мільйонів градусів. Чому ж для розпалювання реакції синтезу в дейтерій-тритиевой мішені потрібно підняти цю планку ще в 10 раз?

Причина - тиск. У сонячному ядрі воно набагато вище, ніж в водневому кульці, тому й температурні умови для підтримки термоядерного синтезу в нашій рідній зірці - м'якші.

Лазерна система - головна гордість NIF. Адже до неї пред'явлені феноменальні вимоги. Досить сказати, що обладнання, що займає десятки і десятки метрів і важить десятки тонн, змонтовано в залах лабораторії з точністю в 100 мікрометрів.

Всі 192 УФ-лазера, що обрушують потік світла на мішень в центрі цільової камери, беруть свій початок від одного слабенького інфрачервоного лазера, промінь якого ділиться на безліч потоків. Кожен з них пробігає в цілому по 300 метрів, проходячи послідовно ланцюжок з гігантських лазерних підсилювачів і перетворювачів частоти.

Тривалість кожного імпульсу становить близько наносекунди - кількох наносекунд, а узгодження часу приходу всіх променів до мішені таке, що розбіжність між самим «квапливим» і самим «спізнюються» імпульсом не перевищує 30 пикосекунд.

Кожен промінь в кінцевому рахунку потрапляє в строго відведену йому точку на внутрішній поверхні золотого контейнера, де створює «сонячний зайчик» діаметром 50 мікрометрів.

Цікаво, що на повній потужності установка генерує промені, які в сумі несуть до мети 1,8 мегаджоуля енергії (так що нинішній запуск всіх лазерів пройшов не на повній «тязі»).

Відзначимо, що в світі існує кілька імпульсних установок, по пікової потужності порівнянних з NIF, і навіть трохи перевершують американського «монстра», але їх спалаху тривають піко-небудь фемтосекунди, тобто вони на три-шість порядків коротше найфовскіх. А тому по сумарній енергії, укладеної в промені (або в декількох променях, як в NIF), вони істотно поступаються «суперспічке».

Левова частка від цих «1,8» перетвориться золотим циліндром в рентген, але лише невелика частина X-променів виявляється задіяна в розігріві і стисненні паливного кульки.

Проте і цієї кількості енергії для запуску термоядерної реакції цілком повинно вистачити. І хоча пряме опромінення мішені принесло б до неї більший енергетичний потік, опосередкований метод дає набагато більш рівномірний опромінення всіх боків кульки, чого і домагаються вчені.

Якщо ланцюгова реакція в такому кульці буде запущена, він вивільнить близько 20 мегаджоулей енергії або навіть трохи більше. Так що NIF повинна стати першою установкою в своєму роді, на якій енергетичний вихід від реакції синтезу перевершить енергетичні витрати на її розпал.

Поліпшення в дизайні мішені і лазерної системи обіцяє підняття термоядерного «виходу» з одного вибуху до 45 мегаджоулей (більше не дозволять особливості камери), а установки такого ж типу, але вже наступного покоління зможуть наростити цей показник ще в два з гаком рази.

Далі варто подумати про промислові системах такого роду, на яких отриману енергію можна було б конвертувати в електрику. Як? Дуже просто.

Мікроскопічні сонця в центрі камери при належній частоті вибухів приведуть до сильного розігріву її стінок, а це тепло можна конвертувати в струм в класичній паровий або гелієвої турбіні (якийсь теплоносій, можливо проміжний, слід пустити всередині стінок сферичної камери).

NIF здатна виробляти один лазерний «постріл» кожні 5 годин - більше не дозволить розігрів оптичної системи, що приводить до її деформації. Але промислова система лазерного синтезу повинна підривати в центрі установки по кілька паливних кульок в секунду.

А значить, буде потрібно більш складний дизайн лазерного комплексу з потужним охолодженням, а ще - «гармата», що стріляє на швидкості в 10-100 м / с мішенями точно в центр камери (це зараз мішень філігранно встановлюють нерухомо на кінці гігантської «голки»).

Все це в тому чи іншому вигляді має бути перевірено на інший дослідній установці по ICF - європейський проект Hiper (High Power Laser Energy Research), поки що існує лише на папері, обіцяє стати ще більш потужним, ніж NIF.

Нещодавно він отримав фінансування на перший етап теоретичних робіт. Так що його успіхи - в майбутньому, адже збудують Hiper не раніше, ніж через 10 років. А ось перші експерименти в NIF почнуться вже в нинішньому червні.

Перший же досвід по запуску стабільної ланцюгової реакції синтезу в цій величезній установці відбудеться в 2010-2011 році, передбачає Мозес. З огляду на відставання за часом головного нинішнього суперника NIF з ядерного синтезу - токамака ITER (він запрацює десь в 2016-2018 році) - можна сказати, що Ливерморская лабораторія здатна зірвати банк.