Уроки водородной бомбы для мирного термоядерного синтеза

Третья статья «о водородно-борной мечте» научного обозревателя портала Asia.com, бывшего главного редактора международного журнала FUSION Джонатана Тенненбаума «Ядерная энергия: уроки водородной бомбы», в которой рассказывается о различных конструкциях водородных бомб, которые стали источниками идей для различных стратегий реализации мирного термоядерного синтеза.

В предыдущей статье цикла Джонатан Тенненбаум объяснил, как реакция ядерного синтеза между водородом и бором может обеспечить основу для высокоэффективного получения электроэнергии без радиации и с практически неограниченными запасами топлива.

К сожалению, водородно-борные реакции происходят в значительном количестве только в крайне экстремальных физических условиях — их труднее реализовать, чем реакцию дейтерий-тритий (DT), которая до сих пор находилась в центре внимания исследований термоядерного синтеза. Между тем после более чем полувековых усилий всего мира и инвестиций в размере нескольких десятков миллиардов долларов, все еще невозможно предсказать с какой-либо степенью уверенности, когда электроэнергия, полученная на электростанции с помощью ядерной реакции DT, появится в электрической сети. Очевидно, необходимы новые подходы, по сути, новая парадигма, которую можно было бы назвать «нетепловой парадигмой».

Физика плазмы: рай или кошмар?

В ядерной физике до сих пор в основном говорят о термоядерном синтезе: о термоядерных реакциях, вызванных повышением температуры топлива до миллионов градусов. Отсюда и термин «термоядерное оружие», использующийся для обозначения того, что более широко известно как «водородная бомба».

Однако здесь требуется гораздо больше, чем простой нагрев. Уже при намного более низких температурах топливо превращается в плазму: электроны (или большинство из них) больше не связаны с ядрами, а более или менее свободно роятся вокруг них, как и ядра, хотя они по-прежнему находятся под воздействием сил притяжения и отталкивания, имеющихся вокруг них. Их движение вызывает электрические токи и магнитные поля, которые, в свою очередь, действуют на всю плазму. В этом случае говорят о «магнитогидродинамике». Поведение плазмы по самой своей природе крайне нелинейно. Плазма демонстрирует огромное разнообразие различных типов волн и колебаний; она испускает электромагнитное излучение, проявляет коллективные, самоорганизующиеся свойства. В ней наблюдаются эффекты столкновения частиц, квантовые эффекты и т. д.

Все это есть в плазме. Для физика плазма — рай или кошмар, в зависимости от того, как на это смотреть.

Предсказание и управление поведением плазмы при высоких энергиях — сложная задача даже при использовании самых быстрых суперкомпьютеров.

Магнитный и инерционный синтез

Температура в миллион градусов создает астрономически высокое давление. Без механизмов его ограничения нагретое топливо будет взрывным образом расширяться и быстро потеряет плотность, необходимую для протекания значительного числа реакций. Попытка решить эту проблему привела к двум очень различающимся стратегиям.

Первая стратегия — удержать горячую плазму в «магнитной бутылке», то есть использовать магнитные поля для противодействия её огромной силе расширения. Сегодня на сцене доминирует проект гигантского Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), который сейчас строится в Кадараше, Франция. На мой взгляд, ИТЭР ценен прежде всего как платформа для исследований плазмы, разработки технологий и как средство поддержки экосистемы ученых и инженеров, работающих в соответствующих областях. Однако с точки зрения практической реализации термоядерного синтеза в качестве коммерческого источника энергии ИТЭР выглядит тупиком.

Намного более перспективными являются устройства гораздо меньшего размера, использующие сильно неравновесные импульсные режимы, такие как фокусированная плотная плазма (DPF). DPF использует процессы самоорганизации в плазме для достижения чрезвычайно высокой плотности энергии.

Второй основной подход, на котором я сосредоточусь в этой статье, называется термоядерным синтезом с инерционным удержанием (ICF). В ICF мы не пытаемся ограничить расширение плазмы; но перед началом процесса мы сжимаем топливо до такой высокой плотности, что большое количество реакций происходит уже в первые моменты, до того как оно успевает расшириться. В этот крошечный промежуток времени энергия, выделяемая каждой реакцией, нагревает смесь еще больше; процесс горения становится самоподдерживающимся — достигается воспламенение. Получается миниатюрный термоядерный взрыв. Будущий реактор ICF будет работать в импульсном режиме, при этом крошечные топливные таблетки одна за другой сбрасываются во взрывную камеру и зажигаются лазерными импульсами.

Излишне говорить, что базовая физика ICF была разработана в контексте разработки ядерного оружия и до сих пор существенно пересекается с областью секретных военных исследований.

Можно было бы много сказать о политике магнитного и инерционного синтеза, но это не моя тема здесь.

От Super-бомбы к радиационному взрыву

Пока что единственной доступной технологией генерирования большого количества избыточной энергии с помощью реакций ядерного синтеза является водородная бомба, также известная как термоядерная бомба. Впервые эта технология была успешно испытана 31 октября 1952 года.

Во время американского Манхэттенского проекта создания атомной бомбы, использующей реакции ядерного деления, физик Эдвард Теллер задумал потенциально гораздо более разрушительное оружие, основанное не на делении урана, а на синтезе изотопов водорода. Его называли Super.

Поскольку было ясно, что химические взрывчатые вещества не могут генерировать температуру в десятки миллионов градусов, необходимую для зажигания термоядерных реакций, единственным вариантом было использование бомбы деления.

В 1946 году физики Джон фон Нейман и Клаус Фукс подали заявку на патент США на модифицированный подход к Super. Название изобретения — «Совершенствование методов и средств использования ядерной энергии». Что и говорить, устройство не предназначалось для гражданского использования!

Содержание патента фон Неймана-Фукса до сих пор официально является секретом правительства США, но его можно найти в увлекательной серии томов, опубликованных в России в 2008 году («Атомный проект СССР: Документы и материалы». Т. III. Водородная бомба 1945−1956), содержащих рассекреченные советские документы. Там можно найти подробный текст с расчетами и диаграммами в переводе на английский и русский языки, а также комментарии к нему ведущих советских исследователей с 1948 года. Как такое возможно? Клаус Фукс позже признал, что был советским агентом!

В конструкции фон Неймана-Фукса уже заложено то, что стало основным принципом действия водородной бомбы: «радиационная имплозия». Вместо того, чтобы оборачивать термоядерное топливо вокруг бомбы деления, как это было изначально задумано для Super, поместите топливо в отдельный контейнер и используйте интенсивный импульс излучения, генерируемый взрывом деления, чтобы нагреть, сжать и воспламенить его.

Устройство, которое, наконец, использовалось в успешном испытании 1952 года, основывалось на этом радиационном взрыве в более продвинутой форме, разработанном Эдвардом Теллером и Станиславом Уламом. Это знаменитая двухступенчатая «конфигурация Теллера-Улама», проиллюстрированная на прилагаемой диаграмме. Он стал своего рода моделью для более позднего развития термоядерного синтеза с лазерным управлением.

Избавляемся от триггера деления

Учитывая успех водородной бомбы в высвобождении большого количества термоядерной энергии, естественно спросить, в какой степени термоядерные взрывы можно уменьшить до такой степени, что они могут быть использованы для коммерческого производства электроэнергии.

Сам процесс термоядерного синтеза не создает внутренних препятствий для миниатюризации: не существует нижнего предела количества топлива, которое может быть использовано для обеспечения «микровзрыва» термоядерного синтеза. А вот первая ступень водородной бомбы не может быть произвольно уменьшена, по крайней мере, каким-либо прямым образом, потому что самоподдерживающаяся реакция деления требует определенной минимальной критической массы, что приводит к слишком сильному взрыву. Даже если бы мы могли производить микровзрывы деления, то они все равно генерировали бы значительную радиоактивность, предотвращение которойкак раз и является главной мотивацией для достижения термоядерного синтеза.

Соответственно, поскольку мы выбираем водородную бомбу в качестве отправной точки для разработки термоядерных реакторов — включая с трудом полученные физические знания, лежащие в основе бомбы, — необходимо найти замену спусковому механизму деления.

Введите лазер

Одно из самых полезных свойств лазеров заключается в том, что лазерный луч может быть сфокусирован до крошечного пятна, сравнимого по размеру с длиной световой волны. Концентрация энергии луча таким образом позволяет достичь очень высоких интенсивностей. Коммерчески доступны лазерные системы, которые могут мгновенно испарять любой известный материал. Каков предел этой возможности? Можно ли достичь температуры в диапазоне 100 миллионов градусов, необходимых для получения ядерной реакции синтеза? Ответ положительный.

Уже в 1968 году — всего через восемь лет после изобретения первого лазера — группа Николая Басова из Физического института им. П. Н. Лебедева в СССР сообщила о первом наблюдении термоядерных реакций, запускаемых лазерным облучением мишени из гидрида лития. Советские результаты были быстро повторены в лабораториях Франции и США. В США Джон Наколлс думал в некотором роде параллельным образом о том, как миниатюризировать термоядерные взрывы до такой степени, чтобы их можно было вызвать без использования атомной бомбы в качестве «запала».

Основной подход к лазерному синтезу, появившийся после первоначальных предложений Басова и Наколлса, основывается на том же принципе радиационного взрыва, который использовался в водородной бомбе Теллера-Улама. Мы бомбардируем сферическую топливную таблетку со всех сторон одновременными лазерными импульсами. Энергия лазера первоначально поглощается внешним слоем мишени, вызывая ее взрывное расширение. По принципу действие-противодействие («эффект ракеты») соседние слои мишени с огромной силой толкаются внутрь, генерируя ударные волны, которые сжимают ядро до сверхвысокой плотности и создают температуру в сто миллионов градусов, необходимую для запуска процесса ядерного синтеза.

Это стратегия, которая использовалась в бесчисленных экспериментах с мощными лазерами, проведенных в США, Европе, Японии и бывшем Советском Союзе, кульминацией которых стало создание гигантского 192-лучевого национального центра зажигания в Ливерморской лаборатории Лоуренса в США. Это самый большой в мире лазер. В своих решающих экспериментах NIF использовала модифицированную установку, в которой энергия лазера сначала преобразуется в рентгеновские лучи за счет взаимодействия света лазера с металлической оболочкой топливной таблетки. Была надежда, что это будет способствовать более эффективному взрыву топливной мишени.

Однако возникли огромные трудности: процесс радиационной имплозии страдает из-за гидродинамических нестабильностей, которые препятствуют эффективному сжатию, эффективность передачи лазерной энергии в мишень мала, имеются радиационные потери и т. д.

Наиболее успешные эксперименты, проведенные на NIF, позволили произвести значительное количество термоядерной энергии, но все же намного меньше, чем требуется для «окупаемости» энергии, затраченной на создание лазерного импульса. К сожалению, Национальный центр зажигания также не смог достичь заявленной цели по достижению зажигания, без которого вместо полноценного термоядерного микровзрыва получается «пшик».

Отказ от тепловой парадигмы

Сегодня появились новые стратегии, которые обещают устранить как технологические, так и концептуальные камни преткновения, которые с самого начала препятствовали развитию термоядерной энергетики.

Одна из них, которая реализуется профессором Генрихом Хора и его сотрудниками, отходит от стандартного рецепта «нагревание и сжатие топлива» (см. «Синтез водорода и бора может стать реальностью».

Естественно, выдвижение новой парадигмы мало что значит, если у человека нет технических средств для ее реализации на практике. В этом случае существенные средства были предоставлены изобретением «усиления чирпированных импульсов» лазерных импульсов, которое я объясню в следующей статье.

Продолжение следует