24 ноября 2021

Сергей Гаранин, директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ: «Россия имеет все шансы стать первой страной, осуществившей зажигание термоядерного топлива в лабораторных условиях»

Директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ академик РАН Сергей Гаранин отвечает на вопросы журнала «Эксперт» о состоянии разработок в области лазерного термояда.

— Как и когда занялись термоядерным синтезом во ВНИИЭФ?

— Развитие направления инерционного термоядерного синтеза (ИТС) во ВНИИЭФ восходит к работам Андрея Дмитриевича Сахарова по созданию водородной бомбы. Надо сказать, что испытание водородной бомбы подтвердило принципиальную реализуемость ИТС. Вопрос лишь в том, чтобы масштабировать размеры и массу термоядерного топлива (в сторону уменьшения) с тем, чтобы выделившаяся при таком микровзрыве энергия могла быть утилизирована без разрушительных последствий для окружающей среды. В конце 1950-х — начале 1960-х годов после открытия лазера Андрей Дмитриевич сразу же предложил использовать мощный лазер в качестве инициатора термоядерного горения при обжатии лазерным излучением сферической оболочки, содержащей смесь изотопов водорода — дейтерия и трития. Конечно, в то время это была довольно фантастическая идея, так как мощность лазеров выражалась милливаттами, и потребовались десятилетия развития лазерной техники, чтобы выйти на необходимые для реализации этого подхода уровни энергии лазерного излучения.

Более понятной и, казалось, более простой для реализации была идея газодинамического термоядерного синтеза, ГДТС, попытки осуществления которого предпринимались во ВНИИЭФ несколько десятилетий. ГДТС предполагал сжатие оболочки с термоядерным горючим с помощью обычной взрывчатки. Для достижения высокого сжатия дейтерий-тритиевой смеси были разработаны сложные многокаскадные системы. Однако эти попытки не увенчались успехом, в первую очередь из-за невысокой симметрии инициирования взрывчатого вещества, из-за чего не удавалось получить высокие плотности сжатого термоядерного топлива, необходимые для его зажигания.

Наконец, третьим направлением осуществления лабораторного термоядерного синтеза было использование идеи магнитного обжатия ДТ-плазмы в специальных камерах, известной как МАГО. Если магнитное поле сделать движущимся, как поршень, в камере специальной конструкции, то плазма будет двигаться вместе с ним, сжимаясь и нагреваясь до требуемых для зажигания плотности и температуры — это и есть принцип МАГО. Однако пока это не удалось осуществить.

— А как и когда во ВНИИЭФ перешли к собственно лазерному термоядерному синтезу?

— Разработка мощных лазеров, в частности лазерный термоядерный синтез, ЛТС, как направление инерционного синтеза, во ВНИИЭФ стало развиваться по инициативе Самуила Борисовича Кормера и Юлия Борисовича Харитона в середине 1960-х. Основное преимущество ЛТС по сравнению с другими типами ИТС заключается в том, что лазерное излучение можно сфокусировать в практически неограниченно малый объем. За прошедшие полвека лазерная техника получила мощное развитие. Во ВНИИЭФ был создан цикл мощных импульсных лазеров «Искра» в интересах ЛТС, в которых энергия лазерного импульса последовательно росла от одного килоджоуля в установке «Искра-4» до 30 килоджоулей в «Искре-5». На этих установках были проведены первые эксперименты по осуществлению термоядерной реакции в ДТ-смеси, получены важные экспериментальные результаты и накоплен уникальный опыт по созданию таких установок и их эксплуатации. Все это послужило основой для создания многоканальной лазерной установки нового поколения мегаджоульного уровня энергии, которая создается у нас с 2012 года. Ее прототипом была установка «Луч», которая начала создаваться в конце непростых 1990-х и была запущена в 2005 году. К настоящему времени завершен важный этап создания новой установки — введен в опытную эксплуатацию первый модуль, завершено строительство здания для размещения установки. Модуль поэтапно выводится на расчетный режим.

— Как устроена лазерная термоядерная установка?

— Основное отличие в подходах к осуществлению ЛТС заключается в методах воздействия лазерного излучения на микрокапсулу, или, говоря другим языком, в типе термоядерной мишени. Различают мишени прямого и непрямого воздействия. В первом типе мишени лазерное излучение непосредственно облучает капсулу с термоядерным топливом, что вызывает ее испарение и, как в ракете, неиспаренная часть начинает ускоряться к центру капсулы, вызывая сжатие и нагрев содержащейся в ней ДТ-смеси. Основная проблема в этом методе — обеспечение высокой однородности облучения поверхности капсулы, чему препятствует высокая когерентность лазерного излучения, приводящая к образованию спеклованной структуры (случайная интерференционная картина, которая образуется при взаимной интерференции когерентных волн, возникающая при когерентном освещении случайно-неоднородных объектов) в пятне фокусировки.

В непрямом воздействии капсула с ДТ-смесью помещается в центр бокса-конвертора. Лазерное излучение вводится через специальные отверстия внутрь бокса и облучает его внутреннюю поверхность. В результате лазерное излучение преобразуется в мягкое рентгеновское, которое затем облучает поверхность капсулы. Так как рентгеновское излучение некогерентно, однородность облучения поверхности капсулы достигается выбором геометрии бокса, его габаритами и расположением отверстий. Так, на установке NIF в Ливерморской лаборатории США используются цилиндрические боксы с двумя отверстиями в торцах бокса. Аналогичные мишени предполагается исследовать на установке LMJ во Франции. Соответственно, использование таких мишеней непрямого сжатия накладывает жесткие требования на геометрию расположения объективов на камере взаимодействия, фокусирующих лазерное излучение на мишень. На таких установках можно использовать только мишени непрямого сжатия, и переход к мишеням прямого воздействия невозможен без переделки системы ввода лазерного излучения в камеру взаимодействия.

— Какая конструкция мишени выбрана у вас в институте?

— Для нашей установки выбрана конструкция сферического бокса с шестью отверстиями для ввода лазерного излучения. Данная конструкция была отработана в экспериментах на установке «Искра-5». Было показано, что она обеспечивает высокую симметрию сжатия центральной капсулы, близкую к теоретическим параметрам, полученным по одномерным сферически симметричным расчетным программам. Степень асимметрии распределения рентгеновского излучения на поверхности капсулы не превышает одного процента, что в разы лучше достигнутой асимметрии в цилиндрическом боксе, и не меняется за время действия лазерного импульса. Таким образом, с завершением создания лазерной установки Россия имеет все шансы стать первой, осуществившей зажигание термоядерного топлива в лабораторных условиях. Геометрия расположения объективов на камере взаимодействия обеспечивает работу с мишенями как прямого, так и непрямого сжатия, что существенно расширяет экспериментальные возможности установки.

Сегодня главная задача разработчиков систем термоядерного синтеза — достижение зажигания и КПД больше единицы, когда энергия, выделившаяся в результате термоядерных реакций, превысит предшествующие энергетические затраты. То есть овчинка должна стоить выделки.

Хочу заметить, что наше положение в разработке всех направлений лазерного термояда на мировом фоне представляется вполне неплохим. Строятся новые установки и стенды, выполняются программы уникальных экспериментальных исследований. Правительство поддерживает эти работы. Но нам сегодня нужна более настойчивая и энергичная поддержка именно лазерного термояда.

А эта работа требует каждодневного преодоления сложнейших препятствий, создаваемых природой, как будто специально испытывающей человечество.