В Институте лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ в рамках программы «Приоритет-2030» реализуется один из самых интересных проектов университета — создание новой мощной многофункциональной лазерной установки килоджоульного уровня энергии ЭЛЬФ. Такие уникальные крупные установки, как считают в вузе, сегодня необходимы университету, который претендует занять одно из ведущих мест в мировой науке.
Мы встретились с научным руководителем этого проекта Андреем Кузнецовым, доктором физико-математических наук, директором Института лазерных и плазменных технологий (институт ЛаПлаз). Он рассказал нам, что представляет собой установка ЭЛЬФ (Экспериментальная лазерно-физическая установка) и какие задачи она предназначена решать.
Основой для ЭЛЬФа стала элементная база уже существующей в Институте лазерно-физических исследований РФЯЦ‒ВНИИЭФ в Сарове килоджоульной лазерной установки «Луч». Если на «Луче» в одном лазерном канале можно генерировать световой импульс с энергией порядка 3 кДж, то на ЭЛЬФе при практически тех же затратах электроэнергии можно увеличить энергию импульса до 6 кДж.
Это не значит, что Саров остался без лазерной установки. Еще в 2012 году в РФЯЦ‒ВНИИЭФ начали строить национальную установку мегаджоульного уровня энергии*.
Установки мегаджоульного уровня энергии на основе многоканальных лазеров, такие как NIF (США), LMJ (Франция), установка в РФЯЦ‒ВНИИЭФ (Россия), Shenguang III (Китай), — это уникальные сооружения с бюджетом в несколько миллиардов долларов. Здания, в которых размещаются эти установки, занимают площадь в три футбольных поля, а энергия света создается 192 пучками размером 40 × 40 сантиметров. Эксперимент на таких установках — дорогостоящее мероприятие, поэтому их ресурсы используются в первую очередь для решения приоритетных прикладных задач. В то же время в диапазоне килоджоульного уровня энергии лазерного импульса наносекундной длительности, наиболее интересной для исследования свойств вещества в экстремальных состояниях, существует дефицит установок.
Поэтому в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ в 2020 году было решено построить установку килоджоульного уровня энергии, при этом новые физические решения, заложенные в конструкцию лазерного комплекса ЭЛЬФ, позволят проводить экспериментальные исследования, недоступные для подавляющего большинства установок в мире.
Работа на двоих
Создание ЭЛЬФа в сотрудничестве с РФЯЦ ВНИИЭФ стало развитием тенденции, которая проявилась в мире, когда парой работают две машины: национальная установка мегаджоульного уровня и килоджоульная установка в университете. У американцев, например, есть установка NIF в национальной лаборатории министерства энергетики США в Ливерморе (LLNL, штат Калифорния), а в Университете Рочестера (штат Нью-Йорк) есть установка OMEGA. И если судить по публикациям, то большинство предварительных экспериментов проводятся на OMEGA, а потом то, что сделано там, переносится на NIF.
По такому же пути пошли французы. Установка национального уровня LMJ, построенная Комиссариатом по атомной энергии и альтернативным источникам энергии (CEA; находится в Бордо), а в университете Ecole Polytechnique (в Сакле недалеко от Парижа) проводятся исследования на установке LULI2000.
Поскольку университетские установки OMEGA в США и LULI2000 во Франции способны проводить эксперименты в среднем раз в час, это позволяет получать большое количество научных результатов. А экспериментальная программа на NIF рассчитана на один опыт в сутки, что связано с необходимостью длительного восстановления оптического качества лазерных пучков после импульса большой энергии.
Установка ЭЛЬФ будет полезна многим исследователям, которым нужны универсальные лазеры, когда по заказу исследователя можно выдать ему излучение нужной энергии, нужного спектра, нужных временных параметров. Можно также сказать, что ЭЛЬФ станет центром коллективного пользования (в формате laser user facility), рассчитанной на то, чтобы создать не просто мощный лазер, а лазер с «пользовательским интерфейсом», то есть установку, которая по своим характеристикам обеспечивает широкий спектр возможностей для исследований ученым из разных лабораторий и институтов. Она должна стать поставщиком «универсальной научной услуги».
Проект ЭЛЬФ реализуется поэтапно
Первый этап предполагает запуск наносекундного канала и ввод излучения в мишенную камеру МК-1, оснащенную средствами измерений, обеспечивающими проведение широкого спектра исследований по ударно-волновому нагружению веществ и физике высокотемпературной плазмы.
Второй этап — запуск второго, пикосекундного канала и ввод излучения наносекундного и пикосекундного каналов в мишенную камеру МК-2, оснащенную средствами измерений, обеспечивающими проведение широкого спектра исследований в физике экстремального состояния вещества.
Андрей Кузнецов пояснил, для чего в установке будет два канала и два пучка. Один пучок длительностью в наносекунду — большой энергии, он будет создавать необходимые давления, высокие температуры, ударные волны в веществе. Когда вы запускаете ударную волну на веществе, это позволяет понять, какие механические свойства у вещества: упругопластические деформации, пластические деформации, ударная прочность. И второй пучок — короткий, меньше пикосекунды. Он позволяет создать дополнительное рентгеновское или корпускулярное излучение, которое «просветит» это вещество и позволит визуализировать процессы внутри исследуемого объекта.
Привлеченные институтом ЛаПлаз эксперты предложили целую программу исследований, названную «Белой книгой», которые можно реализовать на установке ЭЛЬФ. Это лазерный термоядерный синтез, альтернативные источники ядерной энергии, сверхсильные световые поля и исследование вещества в экстремальном состоянии, материаловедение, лабораторная астрофизика, ускорение частиц, разработка измерительных и диагностических систем для национальной установки мегаджоульного уровня энергии. И даже такие прикладные вещи, как лазерный наклеп и упрочнение материалов: когда вы специально сформированным лазерным импульсом бьете по металлу и можете его упрочнять. Решение таких задач уже сейчас востребовано в авиационной технике. Например, при изготовлении лопаток турбин.
Кроме того, для комплекса ЭЛЬФ предложен новый принцип организации оптической схемы усилительных каналов. Это позволило не только повысить КПД генерации излучения из запасенной энергии и, соответственно, увеличить выходную энергию и повысить качество излучения, но, что не менее важно, значительно расширить функциональные возможности установки, увеличить частоту проведения экспериментов, снизить стоимость канала и уменьшить расходы на эксплуатацию установки.
Одной из отличительных черт разработанной конструкции является высокий уровень ее эргономичности, в частности использование единого вакуумного объема для всех проходов излучения в пространственных фильтрах, что позволяет упростить монтаж и настройку оптической схемы. Общая длина пространственного фильтра — 15 метров.
Лазер УФЛ-2М Как работает лазер в установке ЭЛЬФ
Что представляет собой лазер установки ЭЛЬФ? В начале его оптической схемы находится полупроводниковый лазер, рассказывает Андрей Кузнецов. И его излучение усиливается. На старте энергия диода — это пикоджоули, а на выходе — килоджоули. То есть излучение усиливается в 1015 раз. В радиофизике, когда вы говорите о таком безумном коэффициенте усиления, все понимают, что нельзя просто так усилить сигнал: будет очень много шумов. В лазерной физике тоже идет борьба с шумами: это излучение надо усилить очень качественно, не ухудшив его параметры. Это как раз и есть основная сложность, и все, что изобретено, работает именно на то, чтобы на выходе получить очень качественный пучок с высокой пространственной и временной однородностью. Почему это так важно? Чтобы получить требуемый в эксперименте результат на выходе из лазера пучок имеет размер 200 × 200 миллиметров. В камере взаимодействия он фокусируется в пятно размером до 20 × 20 микрон. Интенсивность излучения возрастает в сотни миллионов раз, в том числе возрастают и флуктуации энергии. Это накладывает особые требования и к уровню шумов, которые могут даже разрушить мишень до прихода основного импульса.
Усиление лазерного излучения на первых стадиях происходит в оптическом волокне, потом идут каскады усилителей на основе специальных кристаллических сред, а основной усилитель выполнен из пластин специально сваренного фосфатного стекла размерами 240 × 475 × 40 миллиметров.
Оптическая схема и стартовая часть разработаны в университете. А основной усилитель — это совместная разработка университета и РФЯЦ‒ВНИИЭФ. Конструкцию лазера университет разрабатывает самостоятельно.
«Идеи мы проверяем с нашими коллегами из Сарова, — говорит Андрей Кузнецов. — Там блестящие физики, есть и хорошая группа конструкторов, и вообще у них лучший в стране опыт создания больших лазерных машин. Но и наши студенты садятся за CAD и рисуют».
Камера взаимодействия установки УФЛ-2М
Школа романтики
Когда возникла связка «МИФИ и большая машина в Сарове», она, как заметил Кузнецов, оказалась очень важна для университета. И в науке, и в образовании. Потому что в Москве очень большая концентрация ученых, и мало кто из них готов ехать надолго в Саров, а в МИФИ им очень удобно. Кроме того, все-таки МИФИ — это университет с высоким уровнем фундаментальной физико-математической и инженерной подготовки студентов.
Как отметил Андрей Кузнецов, в образовательном процессе уже довольно давно возникла проблема, которую университету приходится решать: «Мы учим наших студентов на физиков и инженеров-исследователей, но точка входа в эти профессии очень высока. А точка входа в IT-профессию значительно ниже, и уже на первом курсе можно зарабатывать до 150 тысяч рублей, а через два-три года вообще заработок зашкаливает. И, к сожалению, у нас нет никаких аргументов для наших студентов, кроме одного — романтики. Если мы не успеем их заразить романтикой наших исследований на младших курсах, они легко уйдут, будут довольны своей жизнью и не будут даже задумываться о том, что могли бы заниматься наукой. А ведь это же своего рода страсть, и мы заражаем ею студентов».
Один из основоположников термоядерных исследований в СССР Лев Арцимович говорил: «Студент не сосуд, который нужно наполнить знаниями, а факел, который надо зажечь». ЭЛЬФ — это как раз тот инструмент, который позволит «зажигать» романтикой большой науки одаренных студентов и школьников.
Мощные лазеры и государственный интерес
Интерес к сверхмощным лазерам возник в процессе развития идеи лазерного термоядерного синтеза. Именно она вот уже 70 лет стимулирует развитие лазеров мегаджоульного уровня энергии. Но, как рассказывает Андрей Кузнецов, если бы в 1970-е годы физики сказали, что им нужна такая машина, денег бы на это никто не дал. Потому что не поверили бы. Технологически ученые и инженеры такую машину тогда сделать не могли. Но уже в то время, в 1972 году, группа физиков из Ливермора написала статью, где показала, что, если мы научимся сжимать вещество, то энергию лазера для термояда можно уменьшить.
В лазерном термояде лазер нужен не для того, чтобы нагреть вещество, а для того, чтобы его сжать. Мало того, сжать надо абсолютно холодное вещество, при температуре, когда изотопы водорода находятся в твердом состоянии, а это ниже 17 кельвин, то есть минус 256,15 градуса Цельсия.
— Охлажденная смесь дейтерия и трития в жидком состоянии — это 0,2 грамма в кубическом сантиметре, а сжать ее надо до 300 граммов, — рассказывает Андрей Кузнецов. — Это безумно много. И для этого нужны какие-то системы сжатия. Оказалось, что это можно сделать с помощью мощных лазеров. Когда мы греем поверхность, она аблирует, вещество, разогретое до состояния плазмы, вылетает, а импульс отдачи начинает сжимать то, что остается. Вот такая простая схема «ракеты внутрь», она даже рассчитывается с применением уравнения реактивного движения Циолковского. Так работают термоядерные заряды.
Для исследования этих процессов во всем мире стали создавать центры на базе лабораторий, которые исходно занимались ядерным оружием. У нас это Саров и Снежинск, в США — Ливермор, Лос-Аламос, Сандия. И над ними долго был флер закрытой науки.
В 2009 году американцы запустили мегаджоульную машину, у них она называется Национальная установка зажигания (NIF, National Ignition Facility). Они хотели к 2012 году получить зажигание термоядерной реакции. А если получится, то дальше уже построить демореактор.
Эти исследования велись параллельно с работами над токамаком. Эти проекты и сейчас конкурируют не в темпах получения результата (у них одинаковые темпы, и там пока не получается, и здесь не получается), а в привлечении интереса государства к их финансированию. Если мы сравним два направления — токамак и лазерный термоядерный синтез, то токамак — это прежде всего ITER, который строится 35 лет, потратили уже более 20 миллиардов евро, и это оценка снизу. По-видимому, он будет стоить где-нибудь под 30 миллиардов. Это самая дорогая установка в мире, которая строилась когда-либо. И ITER до сих пор не построен.
А вот лазерную установку американцы построили за 3,5 миллиарда и за 13 лет. Возможно, причина в том, что токамаки строят академики, а лазерные машины строят военные.
Строительство NIF было завершено в 2009 году. Эдвард Мозес который был директором NIF в момент открытия, сказал: «Важно не то, чтобы нам дали эти 3,5 миллиарда долларов, а то, что 13 лет нам не мешали работать». NIF — это не только пример достижения результата в постройке сложной установки, это еще и пример беспрецедентной настойчивости и веры в научную цель. В 2021 году на установке было получено зажигание термоядерной мишени. Весной 2025 года на вложенные в термоядерное топливо 2 мегаджоуля лазерной энергии получили 8,6 мегаджоуля термоядерной. Конечно, до реальной термоядерной энергетики еще далеко. Но это уже реальный шаг, к тому, чтобы когда-нибудь заработала термоядерная станция или в дальний космос полетел космический корабль с термоядерным фотонным двигателем.