Игорь Верещагин: Луч надежды

Предусилитель NIF (Леверморская лаборатория, 
США) Фото: en.wikipedia.org

 Игорь Верещагин

В РОССИИ СТРОЯТСЯ ЛАЗЕРЫ, ПРИЗВАННЫЕ ПОБИТЬ МИРОВЫЕ РЕКОРДЫ ПО МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ 

На протяжении уже нескольких лет цивилизованный мир охвачен лазерной гонкой: и в странах Западной Европы, и в России, и в Азии, и, разумеется, в США строятся установки, рождающие лучи с рекордными характеристиками. Проходит пара лет – и устанавливаются новые рекорды, ранее казавшиеся нереальными. Предела пока не видно. Причем каждая страна (как вариант – коалиция стран) выделяет на новые проекты в этой сфере десятки миллиардов долларов – как будто речь идет о каком-то особо эффективном оружии в период холодной войны. Россия тут пока, прямо скажем, не впереди планеты всей. Но именно в Российской Федерации уже начали реализовываться два крайне амбициозных проекта: одна установка должна поставить мировой рекорд по мощности, другая – по количеству энергии луча. Закономерен вопрос: какие цели преследуют авторы этих идей? 

Прежде всего, следует разобраться с параметрами. Когда говорят о «самых крутых» лазерах, часто путают предельную энергию выделяемого ими излучения (она измеряется в джоулях) и предельную мощность (в нашем случае измеряется в тераваттах, а иногда даже в петаваттах). Это не одно и то же. Луч с высокой энергией будет обладать относительно низкой мощностью – и наоборот. 



Функционал у таких лучей разный: один, допустим, способен теоретически вызвать термоядерную реакцию, другой – также пока теоретически – может породить антиматерию. 

Поговорим сначала о тех установках, которые потенциально способны на «термояд», а именно – о высокоэнергетичных лазерах. 

 ОКЕАН ЭНЕРГИИ В ОДНОЙ ТОЧКЕ 

Ученые всего мира уже не первое десятилетие бьются над проблемой управляемого термоядерного синтеза. Неуправляемый – в виде взрыва водородной бомбы – мы устраивать научились, но как получить столько энергии в мирных целях? Теоретически все относительно просто: надо нагреть вещество (конечно, не любое вещество: в данном случае идеально подойдет смесь двух изотопов водорода, дейтерия и трития) до состояния плазмы, потом эту плазму еще сильнее нагреть – и тогда произойдет чаемый мировым научным сообществом синтез. Водород превратится в гелий, и это превращение будет сопровождаться выбросом колоссального количества энергии: ее должно быть в десятки раз больше, чем было затрачено. 

Несомненно, именно «мирный термояд» будет лежать в основе энергетики далекого (а может, не такого уж далекого) будущего: когда закончатся запасы углеводородов, придется переключиться на адекватную в плане выделяемой энергии альтернативу. А именно – на термоядерное топливо (то есть на изотопы водорода), которое в больших количествах есть, по некоторым данным, на Луне и которое можно выделять из воды. 

Основная проблема, которую сегодня пытаются решить в разных странах по-разному, заключается в том, как нагреть плазму до сверхвысоких температур, при которых произойдет «ответный» выброс энергии. 

Известны два способа. Первый: поместить вещество в специальную закольцованную трубу – токомак – где будет создано магнитное поле, способное удержать плазму. Внутри токомака она будет разгоняться и разогреваться – электричеством, теми же лазерами (но «обычными», а не амбициозными) и гиротронами (приборами, которые создают мощный поток электронов и которые, кстати говоря, изобретены и производятся в Нижнем Новгороде). 

 Именно такой способ лежит в основе международного проекта по созданию первого экспериментального термоядерного реактора, известного как ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, ИТЭР. – Прим. ред.). Россия в этом проекте тоже участвует – и сегодня уже мало кто сомневается, что в ближайшие пять лет в ИТЭРе будет получен «термояд». Другой вопрос – что с ним делать. Промышленный образец – с большим коллективом сотрудников, с дорогостоящими плазменными ловушками, с различными и не менее дорогими нагревательными устройствами – представить пока что трудно, хотя планы такие есть. 

Между тем есть второй, более простой способ, предложенный в свое время еще академиком Андреем Сахаровым (в бытность работы его в Арзамасе-16) и его научными соратниками: берем то же самое вещество, помещаем его в специальную мишенную камеру и «стреляем» по нему лазерным лучом, обладающим высокой энергией. Смесь дейтерия и трития мгновенно превращается в плазму, которая тут же нагревается до необходимой температуры. 

Надо сказать, что советские атомщики одними расчетами не ограничились. В 1970-х годах в Арзамасе-16 начал реализовываться проект «Искра», в рамках которого построено несколько высоко­энергетичных лазеров. Завершен проект более чем ударно – созданием 12-канальной установки «Искра-5»: суммарная энергия ее лучей достигла 30 тыс. джоулей (Дж). Это был мировой рекорд, который длительное время никто не мог побить. «Термояда» на выходе не получилось, но проект «Искра» показал принципиальную возможность создания лазеров с более чем высокой энергией, которые в конечном итоге должны вызвать долгожданный синтез. 

На сегодняшний день данную инициативу перехватили американцы, которые, как известно, не очень охотно вкладываются в совместные проекты, а предпочитают делать что-то свое. Можно, допустим, участвовать в проекте ИТЭР, а можно сделать собственную установку, которая будет впереди планеты всей и сумеет зажечь термоядерное топливо быстрее. Так оно, собственно говоря, и произошло: в 2009 году в знаменитой Ливерморской лаборатории (США) был создан многоканальный лазерный комплекс NIF, побивший все мыс­лимые рекорды по количеству энергии. Он способен создавать излучение в 1,8 млн Дж (1,8 мегаджоуля). 

По некоторым данным, в 2013 году на этом комплексе была получена термоядерная реакция. До промышленного образца, понятное дело, далеко, но пути проторены – и проторены они, как мы видим, еще советскими физиками. 

 Между тем в России уже начал реализовываться проект по созданию лазерной установки УФЛ 2-М: ее излучение будет достигать 4,6 мегаджоуля (непосредственно на мишени окажется 2,8 мегаджоуля). Этого с лихвой хватит, чтобы зажечь смесь дейтерия и трития. Впрочем, эксперименты в области термоядерного синтеза – это всего лишь одна из целей проекта. Еще одно назначение – военное: в условиях, когда испытания атомного оружия запрещены, это идеальный способ изучить самые разные механизмы, происходящие в ходе применения сверхмощного оружия. Интересно, что, несмотря на двойное назначение создаваемого комплекса, на его территории планируется организовать работу иностранных ученых: они также будут иметь возможность использовать данную площадку для экспериментов. 

УФЛ 2-М – идея саровских атомщиков, но строится установка не в закрытом городе, а в технопарке рядом с ним. 

Стоимость комплекса оценивается в 45 млрд рублей. Завершение строительства намечено на 2020 год – по крайней мере, такой срок назывался до событий на Украине. Не исключено, что создание установки затянется. Штаты, в свою очередь, могут использовать время, чтобы построить комплекс, опережающий NIF, и сохранить таким образом приоритет. По нашим данным, работы американских ученых сконцентрированы сегодня именно на высокоэнергетичных лазерах. 

ПРОЕКТ ПОД НАЗВАНИЕМ XCELS ПРЕДУСМАТРИВАЕТ СТРОИТЕЛЬСТВО НЕСКОЛЬКИХ БОЛЬШИХ ЗДАНИЙ, НАПИЧКАННЫХ ВСЕВОЗМОЖНОЙ АППАРАТУРОЙ 

Фото: xcels.iapras.ru

ВОСПРОИЗВЕДЕМ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ? 

Совершенно другое направление – сверх­мощные лазерные установки. В какой-то мере они призваны заменить ускорители, на которых проверяются различные теории мироустройства и воспроизводятся процессы, происходившие на разных этапах эволюции Вселенной. Частицы, сталкиваясь на предельных скоростях с мишенями и друг с другом, «разбиваются» на более мелкие элементы, преобразуются, ведут себя необычно в экстремальных условиях. Но для того, чтобы получить новые данные, нужны более высокие параметры. А для этого нужны ускорители с более длинным «коридором» – такова особенность этих устройств. 

 Возникает, таким образом, практически непреодолимая проблема: что-то грандиознее и затратнее Большого адронного коллайдера мировое сообщество вряд ли потянет, а ученым необходимо двигаться дальше. И вот тут на помощь приходят сверхмощные лазерные комплексы, которые по многим позициям могут успешно заменить коллайдеры, и главное – для их функ­ционирования не нужны многокилометровые норы. Более того – такие лазеры дают больше возможностей, чем ускорители. Например, на их основе астрофизики могут воспроизводить процессы, происходящие внутри звезд, и исследовать их. 

 Недавно, кстати, в стенах французской лазерной лаборатории LULI были смоделированы плазменные потоки (джеты), «выбрасываемые» из центра молодых звезд. Они были изучены, и кое-что о джетах ученые узнали больше. Это был международный эксперимент, в котором принимала участие и российская сторона: в частности, за сбор экспериментальных данных отвечал сотрудник Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) Александр Соловьёв. 

 В общем, нет ничего удивительного в том, что если лет 10–20 назад мощные ускорители строились на территории разных стран один за другим, то сегодня мы наблюдаем настоящий лазерный бум. В 2007 году в том же ИПФ РАН была создана установка PEARL на 560 тераватт (ТВт) – тогда она была в пятерке мощнейших лазеров мира, а сегодня и в десятку не входит. В 2009–2013 годах в разных странах мира (в Румынии, Корее, Великобритании, США) создается около 15 лазерных установок, мощность каждой из которой – около 1 тыс. Твт, или 1 петаватт. В чьих руках сегодня находится самый мощный лазер, сказать точно нельзя: установка Nova (Морская лаборатория, США) «выдавала» 1,5 петаватт, но она уже разобрана. Есть данные о создании в КНР установки мощностью в 2 петаватта, но достоверны ли они – большой вопрос. 

Между тем совсем скоро (в ближайшие год-два) наша установка PEARL будет доведена до 10 петаватт. Во многом это позволяет сделать оригинальная технология: в институт прикладной физики используют лазер, в основе которого – параметрический кристалл, позволяющий многократно усилить мощность изначально «слабого» излучения. Эти уникальные кристаллы научились выращивать именно в ИПФ РАН. 

Однако все это вовсе не означает, что мы вырвемся вперед: в Великобритании, Румынии и Чехии уже запущены проекты создания лазерных установок мощностью в 10 петаватт. Возможно, они будут реализованы быстрее. 

Вместе с тем существует идея (обретающая с каждым месяцем все более реальную форму) создания в Нижнем Новгороде сверхмощного комплекса, состоящего из нескольких 15-петаваттных аппаратов, подобных PEARL. В общей сложности это будет 200 петаватт. 

 Этот проект под названием XCELS предусматривает строительство нескольких больших зданий, напичканных всевозможной аппаратурой. Доминантой будет лазерный центр с мишенной камерой. Все это предполагается в целях безопасности скрыть под землей, оставив на поверхности 1–2 этажа. 

В результате обстрела мишеней лучами такой мощности частицы будут ускорены до предела – возможно, даже сильнее, чем на Большом адронном коллайдере. Их интенсивное движение будет сопровождаться мощным рентгеновским и гамма-излучением. При этом время эксперимента будет ограничено десятками фемтосекунд (это гораздо меньше, чем наносекунда). 

 Немаловажная деталь: в Большой адронный коллайдер «вбухано» 6 млрд евро, а на проект XCELS, от которого ожидается примерно такой же по масштабам и научному значению эффект, планируется потратить 1 млрд евро. При этом 80 % должно выделить правительство РФ, 5 % – местные власти, остальное – зарубежные страны-участники. По крайней мере, такой расклад был до «политического кризиса на Украине». Создание комплекса было запланировано на 2021 год, но сроки, скорее всего, «съедут». Правда, относительно приоритета волноваться особо не стоит: США не развивают направление сверхмощных лазеров, отдавая предпочтение высокоэнергетичным, а в странах Западной Европы вряд ли смогут потянуть аналогичный проект в ближайшее время. 

ИЗ МИРАЖА, ИЗ НИЧЕГО… 

В мишенной камере XCELS будут моделироваться различные астрофизические процессы – такие, как рождение и смерть звезды. В ходе ряда экспериментов должна также образоваться антиматерия, которая состоит из частиц, аналогичных электронам и протонам, но имеющих противоположные заряды. Антиматерии, как известно, не существует в нашем мире, а при «встрече» с материей происходит аннигиляция, то есть взаимное уничтожение. 

Тем не менее такое «альтернативное вещество», согласно предположениям ученых, возникло в результате Большого взрыва в одинаковых количествах с «нормальным». Так ли это? И если да, то почему материя победила, а существование антиматерии во Вселенной стало невозможным? Возможно, на эти вопросы ученым поможет ответить именно XCELS. 

 Но самый, пожалуй, интересный эксперимент будет заключаться в направлении всех лучей на… пустую мишенную камеру, из которой выкачан воздух. Согласно расчетам, в результате в вакууме должен произойти процесс, обратный аннигиляции, то есть возникновение материи и антиматерии. Иными словами, из ничего вдруг появится что-то… 

Экспериментально этот механизм не подтвержден: пока что на планете нет столь мощных установок. Возможно, если проект все же будет воплощен в жизнь, ученые смогут разобраться, как именно возник наш мир. 

 СПРАВКА 

Параметры установки XCELS: Мощность – 200 ПВт (1 ПВт = 10 в 15-й степени ватт); Энергия – 5 килоджоулей; 
Длительность импульса – 25 фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10 в минус 15-й степени секунд). 
Лазеры-рекордсмены по энергии: 1. NIF (Леверморская лаборатория, США), 2009 год – 1,8 мегаджоуля, или 1,8 млн Дж (500 ТВт); 

2. Искра-5, (ВНИИЭФ, Россия), 1989 год – 30 тыс. Дж (100 ТВт); 

3. LFEX (Осакский университет, Япония), 2009 год – 10 тыс. Дж (1 тыс. ТВт). 

По мощности: 1. Nova (Левермор, США), 1996 год – 1500 ТВт = 1,5 Пвт (660Дж); 

2. В Румынии, КНР и Корее, Великобритании в 2011–2013 годах разработаны лазеры мощностью 1100–1400 ТВт (то есть приблизительно в петаватт. Вообще в мире более 10 петаваттных лазеров); 

3. Фемта-луч (ВНИИЭФ, Россия), 2009 год – 1 тыс. ТВт = 1 ПТвт (70 Дж).

Источник