Лазерное зажигание ядерного синтеза без тепла

Ядерный синтез, управляемый лазером, несомненно, может стать источником энергии №1 для человечества в обозримом будущем. Помимо неограниченной ресурсной базы, основная причина кроется в беспрецедентной плотности энергии и мощности, которую может генерировать лазерный ядерный синтез. Рост удельной мощности был характерной чертой технического прогресса на протяжении всей истории человечества, сильно коррелируя с увеличением реальной физической производительности общества.

К сожалению, зажечь самоподдерживающийся «термоядерный огонь» крайне сложно. Температуры в сотни миллионов градусов необходимы для дейтерий-тритиевой реакции, а миллиарды градусов — для нерадиоактивной реакции водород-бор (см. Часть 2: «Луч надежды ядерной энергетики: синтез водорода и бора»). Задолго до достижения этих температур топливо превращается в плазму, иногда называемую «четвертым состоянием вещества», которая может вести себя крайне сложно.

Строго говоря, упомянутые выше температуры необходимы только для так называемого термоядерного синтеза, в котором ядерные реакции вызываются случайными столкновениями ядер, мечущихся в нагретой среде. Однако термоядерный синтез может быть реализован гораздо проще в сильно неравновесных состояниях, для которых понятие «температура» больше не применимо. В определенном смысле подход Генриха Хора к получению синтеза водорода с бором, который будет обсуждаться ниже, развивается именно в этом направлении.

Что касается так называемого «холодного синтеза» при комнатной температуре, то я лично убежден, что по крайней мере некоторые из опубликованных феноменов реальны, хотя вполне возможно, что они связаны с другими ядерными процессами, отличными от синтеза, и не имеют пока адекватного объяснения. Можно было бы подумать о возможных приложениях этих явлений для генерации тепла. Однако плотность мощности этих реакций на много порядков ниже, чем у лазерного термоядерного синтеза.

Часть 1: «Синтез водорода и бора может стать воплощением мечты»

Часть 2: «Луч надежды для атомной энергетики: синтез водорода и бора«

Часть 3: «Атомная энергетика: уроки водородной бомбы»

Часть 4: «Энергия ядерного синтеза входит в мир «экстремального света«

Возвращаясь к традиционному лазерному ядерному синтезу, нужно отметить, что зажигание и эффективное «выгорание» термоядерного топлива требуют не только упомянутых огромных температур, но и сжатия топлива до чрезвычайно высоких плотностей — критерий Лоусона.

Простая аналогия — двигатель внутреннего сгорания: сжатие поршнем создает условия для быстрого, эффективного и полного сгорания топлива. В противном случае оно просто медленно сгорает с небольшим выделением энергии, или не вырабатывая ее вообще. Сжатие также вызывает нагревание. В дизельном двигателе компрессия настолько велика, что достигает температуры воспламенения топливно-воздушной смеси.

Дизельные двигатели обычно сжимают входящий воздух в 15−20 раз.

Для сравнения: сжатие, необходимое для получения термоядерного зажигания с помощью лазера, примерно в 50 миллиардов раз больше. Какой «поршень» способен создать такое давление?

До сих пор единственный базовый сценарий, известный как абляционный или радиационный взрыв, доминировал в области лазерного ядерного синтеза и поглощал большую часть финансовых ресурсов (Часть 3: «Ядерная энергия: Уроки водородной бомбы»). Крошечная сферическая топливная таблетка сжимается со всех сторон одновременными лазерными импульсами (или рентгеновскими лучами, генерируемыми лазерными импульсами). Внешний слой гранулы мгновенно нагревается до огромных температур и взрывоопасно расширяется («абляция»). Это внезапное расширение оказывает огромное давление на внутренние слои сферической таблетки, заставляя ее взорваться и сжимая топливо до сверхвысокой плотности. Здесь ударные волны, генерируемые сжатием и распространяющиеся к центру, играют ключевую роль в последующем процессе зажигания.

1. Лазерные лучи или полученные с помощью лазера рентгеновские лучи быстро нагревают поверхность термоядерной мишени, образуя окружающую плазменную оболочку.

2. Сжатие ядерного топлива происходит за счет реактивной силы, создаваемой испаренным лазером и разлетающимся веществом поверхности мишени.

3. Во время заключительного этапа взрыва капсулы плотность топлива в активной зоне в 20 раз превышает плотность свинца, и происходит воспламенение при температуре 100 млн °C.

4. Термоядерное воспламенение быстро распространяется через сжатое топливо, выделяя во много раз больше энергии.

К сожалению, этот сценарий наталкивается на множество трудностей. Главный виновник — явление, известное как нестабильность Рэлея-Тейлора. На границе между внешним и внутренним слоями появляются небольшие неровности, которые быстро растут и проникают вглубь мишени, нарушая процесс сжатия и воспламенения. Несмотря на множество хитроумных уловок и дорогостоящих мер противодействия, оказалось, что невозможно взять под контроль нестабильность Рэлея-Тейлора.

Должен быть лучший способ!

Во время работы в середине 1960-х годов в корпорации «Вестингауз электрик» молодой физик-плазмохимик Генрих Хора смог изучить сотни фотографий плазмы, полученной с помощью разогрева мишеней лазерными импульсами. Он увидел явные доказательства явлений, которые не укладывались в упрощенные модели взаимодействия лазерного излучения с веществом, которые использовались в большинстве исследований того времени. Расчеты Хоры для уравнения движения лазерной плазмы показали, что, помимо давления, создаваемого нагревом, существует также «нетепловой» член уравнения — сила, возникающая из-за мощных электрических и магнитных полей, создаваемых лазерным импульсом.

Наличие таких полей неудивительно; в конце концов, свет сам по себе состоит из быстро меняющихся электрических и магнитных полей. Однако в мощных лазерных импульсах эти поля достигают такой интенсивности, что их действие может резко отличаться от эффекта обычного света. Очень грубая аналогия: обычная волна на поверхности воды при прохождении заставляет объекты просто двигаться вверх и вниз. В отличие от этого, прибой генерирует мощное горизонтальное движение, которое может толкать сёрферов вперед. Переход от нормальной волны к прибою — типичный нелинейный эффект. Другой пример нелинейности, имеющий отношение к лазерному синтезу, — это образование ударной волны при быстром сжатии среды, например, при преодолении самолетом так называемого звукового барьера.

Хора назвал дополнительный член нелинейной силы в своих уравнениях «пондеромоторной силой». Расчеты вместе с широким спектром экспериментальных результатов показали, что энергия лазера может быть с высокой эффективностью преобразована в когерентное направленное движение плазмы, а не просто рассеиваться в виде тепла.

Расчеты 1978 года показали, что эффективность такого преобразования может достигать 99%, а тепловые эффекты при этом уходят на второй план.

Для Генриха Хоры было естественным задуматься: а можно ли использовать этот эффект для зажигания ядерного синтеза другими и гораздо более эффективными способами, чем обычная схема абляционной имплозии?

Таково было начало долгого пути, ведущего к его нынешней концепции водородно-борного реактора.

Экспериментальное подтверждение

Похоже, что работа Хоры над пондеромоторной силой не вызвала большого энтузиазма в сообществе специалистов по лазерному синтезу. Одной из причин, возможно, была кошмарная сложность вычислений, которая заставляет физиков плазмы упрощать свои уравнения. В этом контексте обычной практикой является опускание переменных, которые, как ожидается, окажут лишь небольшое влияние на итоговое решение. Однако при некоторых физических условиях «малые» эффекты могут внезапно стать очень большими.

Другая причина заключалась в том, что используемые лазерные импульсы были слишком длинными, недостаточно мощными и недостаточно «чистыми» по форме, чтобы достаточно неоспоримо проявились пондеромоторные эффекты.

Ситуация начала меняться с появлением усиления чирпированных импульсов и сверхмощных лазеров с ультракороткими импульсами (см. Часть 4: «Термоядерная энергия входит в мир «экстремального света»).

В 1996 году расчеты Хоры нашли поразительное экспериментальное подтверждение в эксперименте, проведенном немецким физиком-лазерщиком Роландом Зауэрбреем в Геттингене. Зауэрбрей облучил мишень из фольги импульсом эксимерного лазера длительностью менее одной триллионной секунды (пикосекунды). Он наблюдал образование двух «блоков» плазмы, разгоняемых в противоположных направлениях до высоких скоростей — один в направлении лазера, а другой — в противоположном направлении. Ускорения, измеренные Зауэрбреем, были невероятно большими: порядка в 100 миллионов миллиардов раз больше ускорения свободного падения.

Ускорения, обнаруженные Зауэрбреем, были на много порядков больше, чем те, которые могут быть получены с помощью теплового расширения. Здесь действуют силы совершенно другой природы, которые можно объяснить только прямым пондеромоторным действием лазерного поля. В своей исследовательской статье, опубликованной в журнале Physics of Plasmas, Зауэрбрей заметил:

«Результаты демонстрируют, что во время короткого субпикосекундного лазерного импульса расширение плазмы происходит преимущественно с ускорением, а не с постоянной скоростью. Измеренные ускорения являются одними из самых высоких, которые были получены в лабораторных условиях для макроскопических объектов».

Измерения во всех отношениях совпали с предсказаниями Хоры.

Результаты Зауэрбрея не остались единственными. В 2000 году венгерский физик-лазерщик Иштван Фёльдеш и его сотрудники продемонстрировали аналогичные ускорения в экспериментах с тщательно подобранными ультракороткими импульсами. За триллионную долю секунды плазма достигла скорости более 100 км в секунду. Расчеты Хоры показали, что скорость может быть ещё в 100 раз выше.

Могут ли такие сверхускоренные плазменные блоки создать нам «поршень», необходимый для сжатия термоядерного топлива, вызывающего воспламенение? Замечательная возможность!

Часто упоминаемая под другими названиями, пондеромоторная сила превратилась из небольшого корректирующего члена в математическом уравнении в хорошо установленное физическое явление, имеющее потенциально революционное технологическое применение. Помимо термоядерного синтеза, нелинейные силы, создаваемые лазерными импульсами, можно использовать в миниатюрных ускорителях частиц для применения в медицине, науке и промышленности. Линейный ускоритель или циклотрон, заполняющий большой зал или достигающий площади в несколько километров, вскоре может быть заменен настольным устройством.

Чем быстрее, тем проще

Между тем, начиная с конца 1990-х, экспериментальные исследования выдающегося китайского физика Чжан Цзе и других учёных установили ясность в ключевом моменте: взаимодействие между лазерным импульсом и мишенью резко меняется, когда длина импульса уменьшается с наносекунд (миллиардных долей секунды) до пикосекунд (триллионных долей секунды) или ещё меньше.

В определенном смысле явления становятся намного проще.

Для чего? Как я уже упоминал, стремление к лазерному синтезу путем абляции уже давно затруднено из-за нестабильности движения плазмы, создаваемой лазерным импульсом, что препятствует эффективному сжатию топлива.

Однако каждый процесс в природе действует в определенном масштабе времени. Рассматриваемая нестабильность плазмы требует определенного времени для развития. Если же мы сможем реализовать процесс в течение более короткого промежутка времени, то нам не придется о ней беспокоиться.

Так, коварная неустойчивость Рэлея-Тейлора развивается в масштабе наносекунд.

Напротив, формирование и ускорение плазменных блоков, продемонстрированное Зауэрбреем и другими, происходит во временном масштабе пикосекунд, что более чем в тысячу раз короче.

Пондеромоторная сила, вызванная электрическим и магнитным полями лазерных импульсов, выполняет свою работу задолго до того, как успевают развиться нагрев и результирующие силы давления. Но для этого нам нужны пикосекундные или фемтосекундные лазеры. Импульсы наносекундной длительности, использованные Национальным центром зажигания в его безуспешных попытках добиться воспламенения с помощью теплового процесса абляционной имплозии, были слишком длинными.

По этому поводу стоит процитировать самого Генриха Хора:

«Потребовались десятки лет, чтобы осознать принципиальное различие между термодинамическим доминирующим лазерным синтезом с наносекундными импульсами в отличие от совершенно других нетепловых процессов с пикосекундным взаимодействием лазер-плазма в тысячу раз короче. Для наносекундного взаимодействия … энергия лазера должна быть преобразована в тепло для создания … гидродинамического и газодинамического давления для абляции, сжатия, нагрева и термоядерных реакций … Эти проблемы могут быть уменьшены, если процессы выполняются за очень короткие интервалы, так что создающие проблемы эффекты не успевают развиться … Во время такого взаимодействия доминирующие силы имеют не термодинамическую природу, а природу нетепловой электродинамики лазерных полей с плазмой».

Приятные сюрпризы

Результаты Рональда Зауэрбрея стали первым из серии приятных сюрпризов, которые ещё больше приблизили мечту о ядерном синтезе водорода и бора.

Хора сделал смелый шаг, чтобы полностью отказаться от сценария сферического взрыва и попробовать что-то гораздо более простое. Он использовал цилиндрическую форму мишени; и вместо того чтобы освещать сферическую цель одновременными лазерными импульсами со всех сторон, Хора предложил просто фокусировать одиночный сверхмощный лазерный импульс на одном основании цилиндра. Воспламенение будет достигаться с помощью единственного плазменного блока — «поршня», — продвигаемого пондеромоторной силой в массу топлива.

Обширные расчеты, опубликованные в 2009—2010 годах, показали, что условия воспламенения водородно-борного топлива намного легче добиться при цилиндрической геометрии мишени. На самом деле, это не намного сложнее, чем дейтерий-тритиевая реакция. Это был очень приятный сюрприз.

Между тем реальные эксперименты продемонстрировали генерацию водородно-борных реакций с помощью лазеров с ультракороткими импульсами. Количество реакций росло как на дрожжах по мере улучшения интенсивности и качества лазерного импульса. Анализ результатов показал, что реакции были вызваны не нетепловыми механизмами, а теплом.

В 2005 году группе Беляева в Москве впервые удалось запустить реакцию водород-бор с помощью мощного пикосекундного лазерного импульса, поражающего богатую бором полимерную мишень. 100 тыс. альфа-частиц были обнаружены как продукты водородно-борной реакции.

В 2014 году аналогичные эксперименты, проведенные на пражской установке Asterix Laser System (PALS) в Чешской Республике, дали несколько миллионов альфа-частиц на один импульс.

Впоследствии постоянные усилия группы PALS по оптимизации характеристик мишени и лазерного импульса увеличили число до миллиарда альфа-частиц на импульс. Наконец, в начале 2020 года международная группа ученых из Чешской Республики и Польши опубликовала статью под названием «Лазерный синтез протон-бор: путь к нерадиоактивной ядерной энергетике?», в которой они заявляют о получении 100 млрд альфа-частиц на один лазерный импульс и призывают к активным действиям:

В следующей части я опишу проект водородно-борной электростанции, разработанный Генрихом Хорой.

Продолжение следует…