15 апреля в Сарове завершился важный этап сооружения лазерной установки нового поколения: камера взаимодействия перенесена в основное здание, где и планируется производить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу.
Фото: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ
Академики Андрей Сахаров и Игорь Тамм в начале 1950-х годов предложили концепцию магнитной термоизоляции и удержания плазмы — эта концепция положила основу для важного направления исследовании в области управляемого термоядерного синтеза (УТС). Изобретение лазера, позволяющего фокусировать в малых объемах колоссальные плотности энергии, открыло новый подход к УТС. В 1964 году академики Николай Басов и Олег Крохин обнаружили, что зажечь термоядерное топливо можно с помощью мощного лазерного импульса, и был дан старт новому направлению УТС — лазерному термоядерному синтезу (ЛТС).
Современный подход к зажиганию с помощью лазера таков: сферическая капсула заполняется дейтерии-тритиевой смесью (DT-смесью), и на ее поверхность посылается мощный импульс. Под действием этого импульса происходит испарение части капсулы, создается абляционное давление, оно разгоняет сферический поршень (неиспаренную часть) до высоких скоростей. Поршень сферически симметрично сжимает DT-смесь до необходимых для УТС температуры и значения критерия Лоусона (учитывает концентрацию термоядерных частиц и время существования плазмы).
В 1972 году в ФИАН были проведены первые эксперименты по лазерному сжатию сферических термоядерных мишеней — и в том же году во Всесоюзном научно-исследовательском институте экспериментальной физики (сейчас РФЯЦ-ВНИИЭФ) начались эксперименты по созданию моноимпульсных лазеров и исследования в области ЛТС. Руководили работами академик Юлий Харитон, член-корреспондент Самуил Кормер и профессор Геннадий Кириллов. За прошедшие с тех пор почти 50 лет в РФЯЦ-ВНИИЭФ создано несколько мощных лазерных установок: «Искра 4», «Искра 5», «Луч», на которых получены принципиальные результаты по физике ЛТС.
Исследования, в частности, показали, что лазерным импульсом с энергией 500 кДж удается зажечь термоядерную мишень, которая представляет собой пластиковую оболочку диаметром 1,5 мм с толщиной стенки около 30 мкм, на внутреннюю поверхность которой наморожен слои DT-льда толщиной 25 мкм.
По современным представлениям для зажигания термоядерной мишени с помощью лазера требуется мегаджоульная энергия и она должна быть подведена к мишени в виде профилированного импульса с длительностью порядка 5 наносекунд. На установке NIF в Ливерморской национальной лаборатории в США энергия лазера — 1,8 МДж.
Еще в 1996 году РФЯЦ-ВНИИЭФ выступил с предложением создать мощную неодимовую лазерную установку с мегаджоульной энергией, на которой можно было бы провести эксперименты по зажиганию термоядерной мишени. Сейчас работы в этом направлении приближаются к окончанию.
Камера взаимодействия — центральный элемент установки: сфера диаметром 10 м и весом около 120 т, именно в ней будет происходить взаимодействие лазерной энергии с мишенью. При таких габаритах транспортировка камеры — невероятно сложная операция, поэтому камеру изготавливали рядом с местом строительства.
За минувшие 14 месяцев с использованием уникальной технологии сварки произведен монтаж сферы и ее раскрой для размещения систем ввода излучения, технологических систем и диагностического измерительного оборудования. Толщина стенки камеры из алюминиевого сплава составляет 100 мм. Всего на поверхности сферы располагаются более 100 портов. О точности произведенных операций свидетельствуют следующие цифры: максимальное отличие формы камеры от сферы составляет менее 5 мм, а оси всех портов имеют отклонение от ее центра менее 1 мм.
Операция переноса камеры взаимодействия заняла около месяца. Саровская установка для лазерного синтеза будет рекордсменом среди лазерных систем. К мишени будет подводиться импульсной энергии в полтора раза больше, чем у NIF.
До сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень, констатирует директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ, академик РАН Сергей Гаранин. Основная проблема в том, объясняет он, что маленькое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей. Оболочка должна двигаться сферически симметрично, отклонения от сферического сжатия недопустимы. На установке NIF не удалось обеспечить необходимую однородность облучения центральной капсулы, сетует академик, но в Сарове система облучения иная, она уже практически сферически симметрична. В Сарове есть опыт экспериментов, так что есть все шансы добиться желаемого («зажигания» термоядерных реакций в мишенях) первыми в мире, заключает Гаранин.
Программа экспериментов после вывода модулей установки в штатный режим уже запланирована. Участие в этих экспериментах примут ученые РФЯЦ-ВНИИЭФ и других предприятий госкорпорации «Росатом», а также ученые ведущих академических институтов России.
Сейчас идут испытания систем первого модуля установки. В конце 2019 года будет проведен его запуск. Ввод в эксплуатацию первой очереди лазерной установки запланирован на 2022 год.