28 мая 2009

NIF - лазерный термояд двойного назначения

В засушливой калифорнийской низине, на окраине маленького городка откроется собор, посвящённый свету. Как и соборы древности, он построен с непревзойдённым размахом и с использованием не имеющих аналогов технологий. Но, в отличие от них, он призван служить научной доктрине, способной - если она окажется верной - продвинуть нашу цивилизацию к новым высотам, пишет Нью-Йорк Таймс.

Перед входом в здание размером с футбольное поле установлен плакат: "Принесём энергию звёзд на Землю". Речь идёт о проекте стоимостью 3,5 млрд долларов, известном как национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (National Ignition Facility, NIF). Полвека с лишним физики мечтают о миниатюрных рукотворных звёздах, дающих море дешёвой энергии, и NIF может стать важным шагом к осуществлению этой мечты.

NIF состоит из 192 лазеров высокой мощности, на создание которых ушло почти 60 миль зеркал, оптоволоконной оптики, кристаллов и усилителей света. Во время работы установки их лучи должны быть сфокусированы на образце из дейтерия и трития размером меньше спичечной головки. Будучи сжатыми и нагретыми до температур выше, чем в центрах звёзд, атомы мишени начнут синтезироваться друг с другом, выделяя при этом энергию.

Иными словами, на установке NIF американцы попытаются осуществить термоядерный синтез по схеме 2H + 3H = 4He + n, самой легкоосуществимой из термоядерных реакций. Её энергетический выход составляет 17,6 МэВ.

Если обобщать, то перед американцами будут стоять две главные задачи - создать самоподдерживающуюся реакцию синтеза в мишени и продемонстрировать энергетическую выгодность всего процесса. Последнее, кстати, вызывает у ряда специалистов обоснованные сомнения - например, эффективность преобразования энергии накачки лазеров в излучение на NIF может оказаться крайне низкой, на уровне нескольких процентов. Возможно, что система будет потреблять на свои нужды больше энергии, чем производить.

Директор проекта NIF Эд Мозес (Ed Moses) рассказывает, что на сооружении NIF было занято 7000 постоянных и 3000 временных рабочих на протяжении десятка лет. Установка состоит из миллионов отдельных позиций по оборудованию и имеет 60 тысяч точек контроля - в 30 раз больше, чем на шаттле.

"Наша история напоминает истории строительства соборов. Мы привлекли лучших физиков и инженеров, весь цвет промышленности и академической науки. Такое случается очень редко", - говорит Мозес.

В феврале на NIF были впервые опробованы все 192 лазера и был произведён первый выстрел в мишень. На сегодня NIF принадлежит рекордный показатель мощности светового импульса (более 1 мегаджоуля). Но до требующихся для запуска термоядерной реакции характеристик учёным предстоит добирать целый год или больше, и не исключено, что достичь их никогда не удастся.

Скептики называют NIF "колоссальным обманом", оттягивающим на себя ресурсы в период экономического кризиса. Только на эксплуатацию установки ежегодно будет выделяться 140 млн долларов. Конечно, не обошлось и без злых языков, перекрестивших NIF в NAIF - National Almost Ignition Facility, или национальный комплекс лазерных почти термоядерных реакций.

И даже сторонники проекта высказываются о нём крайне осторожно. "Они добились определённого прогресса. Лазерный термоядерный синтез, в принципе, может быть реализован, но предстоит ещё во многом разобраться", - считает Рой Швиттерс, физик из университета Техаса, возглавляющий федеральную комиссию, которой было поручено проанализировать состояние дел на установке.

Доктор Мозес также не даёт никаких гарантий успеха и лишь напоминает о том, что на пути к великим открытиям часто встречаются элементы риска, но игра, тем не менее, стоит свеч, так как возможный приз слишком весом.

Одним из самых важных практических применений NIF должно стать военное использование. С помощью этой установки армия США сможет поддерживать в боеспособном состоянии свои ядерные арсеналы в условиях моратория на ядерные испытания.

Конечно, нельзя забывать о научном значении NIF - это отличный инструмент для изучения процессов, протекающих в глубинах звёзд. Ну и энергетический аспект - управляемый термояд станет принципиально новым источником энергии.

"Если термояд получится обуздать, то у нас появятся бесконечные запасы энергии, свободной от выбросов парниковых газов и не чувствительной к геополитике. Чего более мы можем желать?" - спрашивает Мозес.

В ближайшую пятницу в национальной лаборатории Лоуренс Ливермор пройдёт официальная инаугурация NIF, призванная положить начало началом 30-летнему сроку службы лазерной установки. На церемонии ожидается прибытие 3500 гостей. В их числе будут Арнольд Шварцнеггер, министр энергетики США Стивен Чу, чьё ведомство оплачивало строительство NIF, и Чарльз Таунс, нобелевский лауреат и открыватель лазеров.

Таунс создал в 1954 году первый квантовый генератор - мазер на аммиаке. Независимо от него в Советском Союзе основные принципы квантового усиления и генерации сформулировали А.М.Прохоров и Н.Г.Басов.

Пока рабочие моют окна в здании и высаживают цветы в небольшом садике, доктор Мозес показывает установку журналистам. В первом зале он демонстрирует небольшое устройство размером меньше почтового штемпеля: "С него всё начинается. Здесь зарождается пучок, которому предстоит усилиться внутри NIF".

Слово "лазер" представляет собой аббревиатуру, составленную из первых букв пяти английских слов "light amplification by stimulated emission of radiation" (усиление света в результате вынужденного излучения). В современных лазерах потоки света усиливаются в 1025 раз.

Доктор Мозес берёт в руки модель мишени. Это капсула шириной 2 мм, внутри которой должны находиться образцы из тяжёлых атомов водорода. Именно их предстоит нагревать за счёт лазерного излучения, и именно в таких капсулах учёные рассчитывают увидеть термоядерную реакцию.

Мозес и его сотрудники испытывают настоящий ужас, когда при них упоминают пыль. Пыль - бич системы NIF, и одна из наиболее вероятных причин всех её возможных и невозможных грядущих бед. Пыль способна вывести из строя оптику и рассеять с таким трудом сконцентрированный лазерный луч. А вот до мишени пыли не добраться, так как образец будет помещён в камеру шириной 33 фута, откачанную до космического уровня вакуума.

Лазеры NIF включаются по ночам, а дневное время отведено под профилактику и ремонт оборудования. На установке ведутся первые пристрелки. Персонал добивается максимальной синхронизации 192 лазерных импульсов, бьющих по мишени - по условиям техзадания, рассогласования по времени между ними должны быть в пределах триллионных долей секунды.

По подписанному плану эксплуатации, ежегодно NIF будет проводить 700-1000 сеансов облучения, причём около 200 из них будут связаны с экспериментами в области термояда. Критики уверены, что все усилия окажутся потраченными впустую.

"Я не думаю, что этот комплекс заработает. Это чересчур сложная система, и её успех будет зависеть от слишком многих обстоятельств", - говорит Уильям Харпер из Принстонского университета, курировавший вопросы исследований в области энергетики при президенте Джордже Буше-старшем. По его мнению, главная техническая проблема при работе NIF будет связана с достижением должного уровня синхронизации и симметрии всех систем.

NIF строился долго и с каждым годом становился всё дороже. Впервые создать подобный комплекс было предложено в 1994 году. Тогда предполагалось, что он будет сдан в 2002 году и обойдётся в 1,2 млрд долларов. В реальности установку построили на семь лет позже и в три раза дороже.

Доктор Мозес уверен, что спустя десятилетие о первых трудностях NIF все забудут на фоне ожидающихся на ней великих открытий. Посмотрим, кто окажется прав - Мозес или его оппоненты.