ЕСТЬ ЛИ У НАС БУДУЩЕЕ?..

Мощнейшая в мире лазерная установка заработала в США, на территории Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, что недалеко от Сан-Франциско: оттуда пришло сообщение о выходе нейтронов (признак термоядерного синтеза). На разработку этого комплекса размером с футбольное поле ушло около 12 лет и 3,5  миллиарда долларов.
/Ассошиэйтед Пресс/

29 мая 2009 года США обзавелись внушительной национальной зажигалкой - можно и так перевести сокращение NIF (National ignition facility). Если все пойдет, как задумано, она зажжет огонь сродни прометеевому. Звездный огонь! Он будет согревать наших потомков тогда, когда иссякнут привычные источники энергии. Эта большая машина уже в ближайшие годы даст ответ на самый важный вопрос современности: есть ли у нас будущее.

Очевидно, что срок жизни раннетехнологической цивилизации нашего уровня, то есть очень энергоемкой, определяется временем исчерпания природных запасов органического топлива, а также тем, успеем ли мы за это время получить доступ к новым, дешевым и неисчерпаемым источникам энергии. Если успеем, то оправдаем определение - цивилизация. Если нет…

В настоящее время по данным сэра Кристофа Ллевелина-Смита, оксфордского профессора, бывшего генерального директора ЦЕРН, ныне председателя Совета ИТЭР (так называется токамак, который строят на юге Франции), потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт. США тратят 10,3 кВт на человека, Россия 6,3 кВт, Бангладеш 0,21 кВт. 80% дает сжигание ископаемых топлив. Чтобы поддержать нынешние темпы развития, необходимо к 2030 г. увеличить мировое потребление энергии на 50%, а производство электроэнергии удвоить!

Ископаемое топливо дает 80% мирового производства энергии, сжигание отходов и биомассы 10%; АЭС 5%; ГЭС 5%; ветер, солнце, геотермальные и морские установки и т.д. 0,5%. То есть альтернативные источники принципиально не могут заменить нефть, газ и уголь. Максимальное количество энергии от них может составить 3 ТВт за счет ветра, 1 ТВт - гидростанции, 1 ТВт - биологические источники и 100 ГВт - геотермальные и морские установки. В сумме не более 6 ТВт - огромное отставание от новых потребностей (13 ТВт).

Но именно с 2030 г. начнется сокращение добычи углеводородов (до трех процентов в год). Дешевый уран также может исчерпаться в течение ближайших 50 лет. Придется создавать бридерные реакторы, но не думаю, что планета, усеянная сотнями, если не тысячами АЭС, покажется кому-то образцом светлого будущего. Ни атомная энергетика, ни альтернативные источники не позволят продолжать развитие в темпе, к которому мы привыкли за последние полтора века и который кажется нам естественным. Да и какое развитие? Все силы уйдут на выживание и не факт, что их хватит. Подмерзающий и теряющий динамику мир изменится кардинально, но в силу особенностей человеческой психики об этом стараются не задумываться.

Пожалуй, поколение послевоенных беби-бумеров будет последним в истории, которое купалось в дешевой энергии. Это мы, наши отцы и деды сожгли все запасы углеводородов, накопленные природой за сотни миллионов лет, фактически украли их у потомков и не хочется даже думать, каким словом они нас помянут. Менделеева, предупреждавшего, что жечь нефть все равно, что топить ассигнациями, не услышали. На самом деле ассигнациями топить дешевле, чем нефтью, это восполняемый ресурс…

Угольная энергетика? Она лишь затянет агонию лет на пятьдесят, максимум на сто и сделает ее более мучительной. Радужные прогнозы о том, что угля хватит на века, не оправдались, его потребление возрастает на 4,5% в год, что резко сокращает сроки исчерпания запасов. А после истощения нефтяных месторождений эта тенденция будет лишь нарастать. Если мы в ближайшие два-три десятилетия не получим емкий источник дешевой энергии, то вероятна редукция технологической цивилизации - с большими потрясениями, вплоть до катастрофического возврата к традиционному, нетехнологическому образу жизни.

Каковы же перспективы термоядерного синтеза? Идея установок с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы, выдвинутая еще в 1951 г. фиановцами Таммом и Сахаровым, очень много дала в понимании проблемы, но воплощается в жизнь с таким трудом, что возникает мысль о неестественности этого способа для природы. За полвека смогли достичь высоких температур, больших, чем в звездах типа нашего Солнца, но не удается добиться нужной плотности и устойчивости плазмы. И даже если удастся достичь критерия Лоуренса, то нет гарантии, что реакция синтеза не нарушит устойчивость магнитной ловушки. Звезды работают по иному принципу, в них есть то, чего так не хватает токамакам - огромные давления в центральной зоне и, следовательно, большие концентрации взаимодействующих ядер, а также большие времена взаимодействия. Иными словами - все условия для устойчивой, стабильной реакции синтеза. Что мы и наблюдаем уже многие миллиарды лет - звездные термоядерные топки прекрасно работают.

По схожему пути и пошли американцы. Установка NIF построена в знаменитой Ливерморской лаборатории Калтеха (да, американская университетская наука вещь серьезная!), стоит около 4 млрд. долларов и вполне сопоставима по масштабам с европейским ИТЕР. Но токамак, который более десяти лет проектировали, а теперь так долго строят самые развитые страны мира, обойдется в три раза дороже, его завершат к 2018 г. и после двадцати лет экспериментов закроют. О промышленном значении речь не идет…

История национального американского огнива началась еще в 1977 г. с экспериментов по фокусировке двух лазерных лучей на мишени установки "Аргус". Затем были "Шива" и "Нова", а в 1995 году заработала "Омега", уже с 60 лучами. Так создавался фундамент NIF. Но даже выход США из программы ИТЕР в 1996 г. никого не насторожил, наоборот, кое-кто потирал руки - надорвалась Америка! Уже не может играть в полную силу на всех досках. Рано радовались, не говоря уже о том, что грешно радоваться неудачам в таком деле. Кстати, в 2003 г. США вернулись в программу ИТЕР - 1,1 млрд. долларов небольшая сумма, зато позволяет держать руку на пульсе передовых европейских достижений и делать хорошую физику.

В январе 2010 года стало известно, что ливерморцам удалось точной юстировкой всех 192 лазеров установки добиться симметричного и одновременного попадания лучей внутрь мишени, золотого цилиндрика размером с малокалиберную гильзу. В нем - крохотная бериллиевая сфера с замороженной капелькой смеси дейтерия и трития. Подводимая энергия достигла мегаджоуля (NIF - самая мощная лазерная установка в мире), то есть 75% максимально возможной. Отражаясь от внутренних зеркальных стенок мишени, лучи диаметром всего лишь 0.35 мм, но несущие колоссальную энергию, сплетают густую сеть-ловушку и мгновенно испаряют поверхностные слои топлива, развивая необходимые для начала реакции ядерного синтеза температуру и давление. Очень удобной оказалась возможность юстировать лазерные лучи и подбирать условия эксперимента, меняя частоту излучения. При этом был открыт важный эффект самофокусировки лучей.

В отличие от токамаков здесь нет нужды в длительном удержании устойчивого потока плазмы, наоборот, рабочий цикл длится наносекунды. Ожидается, что в полупромышленном варианте выход энергии превысит ее затраты, как минимум, в 60 раз (на ИТЕР мечтают о коэффициенте 5…), а при переходе на промышленные технологии - и в 100 раз! Как видите, принцип действия NIF прост, хотя и требует большой инженерной смелости и высочайшей технологической культуры. Но как же он воплощается в жизнь? С американским размахом!

NIF - это 10-этажное сооружение площадью в три футбольных поля. В боковых нефах с высокой точностью проложены трубы вакууммированной оптической системы для формирования, усиления и преобразования двух потоков по 96 лазерных лучей, которые затем сходятся сверху и снизу в рабочей камере десятиметрового диаметра, где с еще большей, буквально микронной точностью установлена мишень. Задающий генератор формирует импульсы от 0.2 до 25 наносекунд. Это значит, что по каналам оптической системы длиной в 1.5 километра мчатся отрезки лучей длиной от 6 см до 7.5 м. Требования к синхронизации строгие, к мишени они должны прийти с разбросом не более 30 пикосекунд (пико - это 10 в минус 12-й). Иными словами, эти огненные стрелы должны лететь ровным строем, с разницей не более 9 мм!

Генерация и усиление идут в инфракрасной области спектра (1000 нанометров). Большие стеклянные усилители установки, как и вообще вся лазерно-оптическая система, поражают воображение! Более 3000 метровых слябов неодимового стекла! Они накачиваются энергией интенсивного белого света от семи с половиной тысяч мощных двухметровых ламп-вспышек, питающихся от гигантского конденсатора! Перед рабочей камерой преобразователь меняет цвет лучей на высокоэнергетичный ультрафиолетовый. Впрочем, длина волны в 300 нанометров означает уже не цвет, а ртутно-сварочное сияние!

Там же, на финише, специальные прецизионные зеркала с изменяемой геометрией преобразуют параллельные стрелы лазерных лучей в сферическую конфигурацию, фокусируя всю энергию в центре камеры. Требуется высочайшая точность, недопустимы вибрации, и поэтому башня рабочей камеры построена из напряженного бетона 4-футовой толщины.

В опытном режиме планируется производить лишь несколько испытаний в час, но на промышленных установках водородные микробомбочки будут взрываться в хорошем темпе! Как минимум 5 раз в секунду должна происходить вспышка сродни солнечной. Значит, понадобится реактор - солидная конструкция метра полтора-два в диаметре с хорошо развитыми контурами теплоотдачи. Скорее всего, он будет с литиевым теплоносителем, то есть бридерным, для наработки изотопов водорода.

Практичные американцы уже подсчитали, что себестоимость дробинки-мишени не должна превышать 25 центов, чтобы установка была хорошо окупаемой, ибо за сутки придется подать в камеру 432000 таких дробинок. Но возможна ли подача с такой частотой и такой точностью все новых и новых порций горючего? Расчеты показывают, что температура реактора при хорошем охлаждении не превысит 500 градусов Цельсия, что не так уж и много. Во всяком случае, так просто подобные машины не строят, и если у вас готова столь дорогая пушка, то задачу подачи мишеней к ней вы уж как-нибудь обеспечите.

Год ушел на юстировку оптики и камеры, на калибровку измерительных систем, на отработку режимов, на проведение натурных экспериментов. И вот 11 октября 2010 поступили сообщения о том, что специалистам NIF наконец-то удалось зажечь термоядерную реакцию! О чем ясно говорит имевший место поток нейтронов и сама испарившаяся вместе с держателем подающего устройства мишень. И хотя выход энергии пока невелик, около того же мегаджоуля, что подведен лучами лазеров, но главное сделано - доказано, что принцип динамического сжатия плазмы работает!

Этот эксперимент состоялся 29 сентября, причем использовалось 75% энергии лучей, а в качестве топлива - обедненная дейтерий-тритиевая смесь. Выход нейтронов составил около десяти триллионов, сигнализируя об успешном синтезе такого же числа атомов гелия. Руководитель команды физиков NIF Эд Мозес сообщил, что по достижении поставленных параметров цепной реакции выход нейтронов должен возрасти в тысячу раз. Теперь подобные испытания будут устраиваться, по меньшей мере, ежемесячно.

Судя по всему, NIF на верном пути к достижению больших научных целей, таких как моделирование магнитосферы Юпитера, внутренних процессов в звездах и других процессов во вселенной, связанных с высокой температурой и плотностью. В том числе и с моделированием процессов в термоядерных бомбах…

Ливермор, как известно, военная лаборатория и NIF предназначена не столько для фундаментальных научных исследований, сколько для нужд министерства обороны. Мозес сообщает, что лишь около 10 % машинного времени посвящено науке и ее доля вырастет до 20% после 2013 года. 40% отводится исследованиям ядерных реакций, а оставшиеся 40% - моделированию их физики по заданиям правительства. Иными словами, моделированию ядерного взрыва без испытания бомб.

"Стратегическая безопасность - также часть миссии NIF," - говорит Мозес. "Мы хотим убедиться, что можем создать виртуальный тестовый объект на компьютере и нам нужны достоверные данные для обоснования модели." Если установка обеспечит реакцию синтеза, говорит он, она станет главным образом устройством для безопасной проверки принципов реального оружия. И лишь в третью или четвертую очередь задачей установки является доказательство возможности безопасного получения чистого, без радиоактивных и прочих загрязнений источника энергии.

Вполне возможно, однако, что куда труднее будет решить вопрос практической реализации такого источника, то есть создать промышленный образец реактора. Специалистам придется предложить нечто радикальное, чтобы увеличить частоту лазерных вспышек с нескольких в день до 10-15 в секунду. Есть проблемы с быстрым выращиванием кристаллов для преобразования частоты лазерного излучения. Критики пишут, что и сами нифовцы не надеются дать первую мощность в электрические сети ранее, чем через 15-20 лет, что реальная стоимость установки уже дошла до $5-7 млрд и что нет расчетов по себестоимости будущей энергии. Неясно также, как решать проблему наведенной радиации, хотя как раз NIF в случае успешной работы на дейтерий-тритиевой смеси позволит поэкспериментировать с безнейтронными реакциями.

Но никто, в общем-то, уже не сомневается в физике лазерного запуска цепной реакции, в том, что он, в конце концов, приведет к промышленному производству энергии. Советник американского правительства в области энергии Стивен Чу, нобелевский лауреат, убежден в перспективности программы NIF и будущем термоядерного синтеза. И никого нет ближе к этой цели, чем команда установки, считают ее члены. Французы отстают на пять лет. Китайцы очень заинтересованы в создании больших установок ядерного синтеза и если пять лет назад они отставали от NIF на двадцать лет, то сегодня уже только на десять. Они вырастили 2000 докторов наук в области плазмы за последние годы! Это показывает серьезность их намерений в области синтеза.

Если программа NIF будет успешной, то планируются еще более амбициозные проекты, такой как LIFE (Laser Inertial Fusion Engine). В нем возможности NIF будут использованы для запуска реакции расщепления, в которой в качестве топлива будут использоваться опасные радиоактивные отходы. Такие энергостанции смогут работать до 40 лет без необходимости в замене расщепляющихся материалов. К концу срока службы они будут переработаны с многократным снижением их радиоактивности. Ожидается, что такие установки будут более эффективны в генерации энергии, чем чистые термоядерные реакторы.

NIF позволит отработать более удобные, легкие, компактные и дешевые лазеры, металлы и сплавы, зеркала и оптические кристаллы, а также другие компоненты для LIFE. Так, команда установки надеется, что габариты лазеров удастся существенно уменьшить: с 300 футов длины до 50 футов и даже менее!

Новый источник энергии откроет захватывающие перспективы! Во-первых, топлива для таких установок хватит на тысячи лет, не говоря уже о его наработке в процессе эксплуатации. Во-вторых, процесс чистый, практически без радиоактивного загрязнения, не считая небольшого загрязнения тритием при его наработке и изготовлении мишеней, с чем нетрудно бороться, а от гамма-излучения давно имеются надежные способы защиты. В-третьих, и это самое важное, его появление очень своевременно. Если у американцев все получится, то им удастся разорвать петлю нефтяной и газовой зависимости, остановить рост цен на продовольствие, показать миру, что рано списывать великую страну со счетов, а главное - NIF снова откроет человечеству дверь в будущее! Не в задымленное угольными ТЭЦ и загаженное отходами АЭС, а относительно светлое - настолько, насколько это возможно при нашем образе жизни.