Новые лазерные технологии для ядерного синтеза

ИА REGNUM продолжает публикацию цикла статей ведущего научного автора портала Asia Times Джонатана Тенненбаума, который посвящен перспективам освоения экологически чистой реакции ядерного синтеза «бор + протон». В статье «Энергия термоядерного синтеза вошла в мир «экстремального света» рассказывается о технологии «усиление чирпированных импульсов», разработанной нобелевскими лауреатами Жераром Муру и Донной Стрикленд, которая позволила преодолеть принципиальный барьер в наращивании мощности импульсных лазеров. Реализующиеся в ЕС, Китае, США и России проекты по созданию сверхмощных лазерных установок позволяют надеяться на успех в реализации как классического термоядерного синтеза, так и нового, «нетеплового» подхода к созданию реактора ядерного синтеза, который развивается австралийским физиком Генрихом Хора.

* * *

Нынешний век информационных технологий, знаменующий собой трансформацию повседневной жизни с помощью портативных компьютеров, смартфонов, так называемого искусственного интеллекта и т. д., стал возможен благодаря экспоненциальному увеличению вычислительной мощности микросхем, которое началось в 1970-х годах и продолжается сегодня.

Этот процесс эмпирически описывается известным законом Мура: количество транзисторных элементов, которые могут быть упакованы в интегральную микросхему, удваивается примерно каждые два года.

Однако мало кто знает, что аналогичный процесс происходит и в лазерных технологиях. Интенсивность световых импульсов, которые могут доставлять лазеры, возрастает по экспоненте с момента создания первого лазера в 1960 году. Благодаря этому стало возможным концентрировать все большее количество энергии в более коротких и более сжатых импульсах, вплоть до одной миллионной от миллиардной доли секунды и меньше. Мы вошли в мир «экстремального света» — формы света, которая, насколько нам известно, никогда не существовала ранее в нашей Солнечной системе.

Рискну предсказать, что влияние открытий в этой области на будущее общества может оказаться столь же радикальным, как и информационно-цифровая революция, но влияние это будет совсем другого рода.

Используя грубоватое и не совсем политкорректное выражение, мы говорим об увеличении власти человека над физической силой Вселенной. Информационные технологии — фантастические и незаменимые инструменты; но сами по себе они не могут привести в движение города или доставить вас на Марс. А вот лазерный синтез может.

Новые сверхмощные лазеры с ультракороткими импульсами смогут сделать гораздо больше, чем мы можем себе представить. И, кстати, эти лазеры играют ключевую роль в соблюдении закона Мура благодаря усовершенствованию микролитографии микрочипов и других элементов.

График нарастания мощности лазеров с 1960 по 2020 годы

Как видно из вышеприведённого графика, максимальная интенсивность, которую можно получить при фокусировке лазерного импульса, в первые несколько лет росла чрезвычайно быстро. За этим последовало более десяти лет замедление прогресса и резкий взлёт произошел в 1985 году — эта точка на графике помечена аббревиатурой CPA, что совпадает с открытием техники «усиления чирпированных импульсов», о которой я сейчас расскажу. CPA ознаменовал революционный прорыв в области усиления лазерных импульсов. С тех пор каждые пять лет интенсивность лазерного излучения увеличивалась в 10 раз.

Лазерная технология позволяет не только концентрировать световую энергию в пространстве, фокусируя луч на крошечной области, но и во времени. В настоящее время для коммерческого использования доступны лазеры, которые производят световые импульсы продолжительностью не более нескольких фемтосекунд. Фемтосекунда — это одна миллионная часть от миллиардной доли секунды.

Чтобы получить представление о невероятной краткости фемтосекунды: отношение фемтосекунды к секунде времени соответствует отношению 1 секунды к 770 миллионам лет.

В текущих исследованиях длительность импульсов снижается от фемтосекунды до аттосекундной области, что ещё в тысячу раз короче. Это касается ряда фундаментальных физических процессов, происходящих в отдельных атомах. Совсем недавно впервые стало возможным снимать что-то вроде замедленного видео движения отдельных электронов в атоме.

Фемтосекундные лазерные импульсы в отличие от наносекундных не оставляют времени на нагрев. Справа фемтосекундный лазер для офтальмологических операций

Стандартные методы получения ультракоротких импульсов вплоть до фемтосекундного диапазона — так называемая модуляция добротности и синхронизация мод лазера — были разработаны еще в 1960-х годах. Большой проблемой был ответ на вопрос: сколько энергии можно сконцентрировать в таком импульсе?

Как правило, лазерная система с ультракороткими импульсами состоит из лазерного генератора, за которым следует усилитель, который преобразует начальный, относительно слабый импульс в мощный. Однако попытки увеличить энергию импульса натолкнулись на препятствие.

При превышении определенной мощности усилитель и оптическая система получают катастрофические повреждения. Среди прочего, достаточно интенсивный лазерный свет имеет тенденцию «самофокусироваться» при прохождении через среду, достигая плотности энергии, которой не может противостоять ни один материал.

Однако в середине 1980-х физик Жерар Муру и его аспирант Донна Стрикленд предложили гениальное решение этой проблемы, известное как «усиление чирпированных импульсов» (CPA). Это изобретение, открывшее новую эру развития лазеров, принесло им Нобелевскую премию по физике в 2018 году.

Термин и основная концепция «чирпа» возникли в области военных радиолокационных систем примерно в конце Второй мировой войны и были оперативно разработаны в 1950-х годах. Впервые концепция была рассекречена в 1960 году. Я вкратце набросаю в, чём состоит идея, ибо считаю, что это довольно интересно.

Радиолокационные системы, работающие с фиксированной частотой, стремясь увеличить свой диапазон и разрешение, были ограничены необходимостью производить очень короткие импульсы с очень высокой мощностью. При всё большем усилении импульсов компоненты достигали предела, при котором начиналось их повреждение.

В «ЛЧМ-радаре» (радаре линейной частотной модуляции) импульс, излучаемый радиолокационным передатчиком, не имеет фиксированной частоты, а является частотно-модулированным — «чирпированным» (chirped на русский язык и переводится как ЛЧМ — прим. ИА REGNUM). В ходе импульса частота уменьшается от выбранного начального значения до более низкого. Тогда импульс становится настолько длинным, что позволяет усилить его до высоких мощностей без повреждения самого передатчика. Сигнал, идущий к объекту и отраженный обратно, будет приходить с такой же частотной модуляцией. (Небольшой сдвиг частоты из-за эффекта Доплера для движущегося объекта, такого как самолет, в большинстве случаев оказывает лишь незначительное влияние.)

Теперь начинается фокус: приёмник радара содержит так называемую сетку задержки, спроектированную таким образом, что отраженные высокочастотные сигналы проходят через эту сетку дольше, чем низкочастотные.

Когда отраженный частотно-модулированный сигнал проходит через сетку, начальные, высокочастотные волны сигнала задерживаются ровно настолько, чтобы более низкочастотные волны могли их догнать. Это приводит к «накоплению» энергии: импульс, выходящий из сетки задержки, сильно сжимается во времени по сравнению с исходным.

Можно понять, что полученный очень короткий импульс содержит ту же информацию об объекте, как если бы исходный импульс был бы столь же коротким. На основе синтезированного импульса приемник радара может измерить точную временную задержку сигнала при движении к цели и от цели, определяя расстояние до неё.

Разница в том, что гораздо более длинный частотно-модулированный сигнал, излучаемый «ЛЧМ-радаром», может иметь гораздо больше энергии, чем может быть передан за короткий импульс. Радар может «видеть дальше» и достигать более высокой точности.

Схема чирпированной радиолокационной системы — изначально военная тайна

Впервые в середине 1980-х годов Жерар Муру и его тогдашняя студентка Донна Стрикленд, работающие в лазерной лаборатории Университета Рочестера, сумели применить идею «чирпирования» к проблеме усиления ультракоротких лазерных импульсов.

В их схеме роль сети задержки в чирпированном радаре играет пара дифракционных решеток. Они разделяют различные частоты света, содержащиеся в коротком импульсе, на «радугу» частот и заставляют более высокие («синие») частоты проходить более длинный путь, чем более низкие («красные») частоты.

Это приводит к отставанию более высокочастотных составляющих при прохождении импульса в усилитель. Исходный, слабый, но ультракороткий импульс, создаваемый лазерным генератором, растягивается первой парой дифракционных решеток в более чем 1000-кратный импульс с нарастающей частотой, начиная с красного и заканчивая синим.

Результирующий «растянутый» импульс проходит через лазерный усилитель, где полная энергия может быть увеличена до гигантских мощностей без повреждения самого усилителя. Наконец, второй набор дифракционных решеток, работающих в обратном направлении, заставляет длинный импульс «собираться заново» на выходе из системы в один ультракороткий импульс гигантской мощности. Могут быть достигнуты коэффициенты усиления в триллионы или более раз.

Благодаря появлению усилителя чирпированных импульсов, лазеры фемтосекундного диапазона с мощностью в диапазоне петаватт — миллион миллиардов ватт — сегодня используются в лабораториях по всему миру.

Когда импульс такого лазера сфокусирован на цель, происходят новые удивительные вещи, явления из области ядерной физики и физики элементарных частиц: трансмутация атомов и другие ядерные реакции, генерация пучков частиц сверхвысокой энергии и разгон макроскопических объектов (плазменных блоков) до скоростей 1000 километров в секунду и более.

По иронии судьбы, несмотря на свою огромную интенсивность, импульсы — при условии, что они имеют достаточно острые углы (так называемый высокий коэффициент контрастности) — практически не выделяют тепла при взаимодействии с веществом. Вместо этого их энергия превращается в организованные, направленные процессы. Тепло не успевает развиться, а появляется лишь позже, когда процессы стихают.

Поскольку интенсивность лазерного излучения продолжает расти с экспоненциальной скоростью, физики-теоретики мечтают об излучении такой интенсивности, при которой можно было бы непосредственно наблюдать так называемый вакуумный пробой, когда материя создается «из ничего», только из энергии.

Гонка за все более и более высокой мощностью импульса, интенсивностью импульса и количеством «выстрелов», которые могут быть произведены в минуту, идет на международном уровне. Например, проект European Extreme Light Infrastructure (ELI) обещает обеспечить мощность лазера в диапазоне 10 петаватт. Китайская суперинтенсивная сверхбыстрая лазерная установка (SULF) планирует достичь 100 петаватт к 2023 году.

Ожидается, что мощность российской установки XCELS, разработанной Международным центром исследования экстремальных световых полей, вырастет до 200 петаватт с возможностью увеличения в будущем до уровня эксаватт (1000 петаватт, или миллиард миллиардов ватт). США пытаются вернуть себе лидерство с помощью лазерной системы ультракоротких импульсов, эквивалентной Зеттаватту (ZEUS), которая будет построена в Мичиганском университете. ZEUS будет использовать встречные импульсы лазера и электронного луча, чтобы достичь полной мощности порядка зеттаватта (миллиард миллиардов миллиардов ватт).

Что должен получить рядовой гражданин от этих головокружительных цифр? Нет недостатка в обещаниях в отношении практического применения, все они, в целом, заслуживают доверия — это и новые материалы и методы производства, и применение в медицинской диагностике и лечении, в уничтожении ядерных отходов и, не в последнюю очередь, в ядерном синтезе.

Однако реализация наиболее выгодной из известных форм термоядерной энергии — нерадиоактивной реакции водород-бор — не зависит от вышеупомянутых мегапроектов.

Всё это очень похоже на концепцию реактора, выдвинутую австралийским физиком плазмы Генрихом Хора, которая привлекает все большее внимание в последние годы, и потребует немногим больше, чем лазеры того типа, которые уже используются в лабораториях по всему миру. И, наверное, эти лазеры должны быть намного компактнее. В следующей части я объясню, как это работает.

Продолжение следует…