Интересно, что о его прообразе писатели-фантасты заговорили несколько десятков лет назад. Вспомним хотя бы роман А. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина".
Не предвидя, конечно, создания известного современному человечеству удивительного прибора, имеющего совершенно иное назначение, автор романа писал: "Первый удар луча гиперболоида пришелся по заводской трубе - она заколебалась, надломилась посередине и упала... Был виден завод, раскинувшийся на много километров. Половина зданий его пылала, как карточные домики. Луч бешено плясал среди этого разрушения".
Лазер называют еще квантовым генератором света.
Родился он в конце 50-х годов нашего века. Главная роль в создании этого источника светового излучения принадлежит советским ученым - Н. Басову, А. Прохорову и американцу Таунсу.
Чем же интересен этот источник света и каковы его особенности?
Одно из присущих ему замечательных качеств - мощность. Чтобы читатель получил о ней представление, воспользуемся таким примером нить обычной лампы накаливания станет испускать такой же яркости свет, как небольшой квантовый генератор, если ее температуру довести до 10 миллиардов градусов, то есть сделать в миллион раз горячее поверхности Солнца.
Несмотря на то что количество энергии, которое лазер "выстреливает" в импульсе, невелико, скажем 0,03- 0,05 ватт-часа, удельная мощность импульса может быть очень высокой - до 1017-1020 ватт в кубическом сантиметре. Для сравнения напомним, что в ядерных реакторах деления удельная мощность колеблется в пределах ог 10 до 1000 ватт в кубическом сантиметре, а в термоядерном - 100 ватт.
Другое замечательное качество лазера, или, точнее, светового излучения, создаваемого им, - это способность концентрировать энергию в фантастически малых объемах. Используя в лабораторных условиях относительно небольшую энергию, скажем равную одной килокалории, можно получить плотность энергии в кубическом сантиметре десять миллионов килокалорий, то есть в миллион раз больше той, какую можно достичь с применением самых эффективных современных взрывчатых веществ.
За счет чего достигается такая концентрация энергии?
Солнце, электрическая лампочка и другие источники излучают свет в виде независимых друг от друга разных по длине волн. Получается это потому, что испускающие свет атомы и электроны при нагревании движутся хаотически. Эти независимые, беспорядочно колеблющиеся волны света невозможно объединить в один узкий пучок. Этим объясняется расширение луча прожектора с расстоянием.
Если же создать устройство, которое заставляло бы атомы излучать световую волну определенной одинаковой длины и не беспорядочно, а согласованно во времени, оно обеспечило бы мощный, нерасходящийся, как говорят, когерентный луч света. Именно таким устройством и является лазер.
Как он работает?
В его рабочее (активное) вещество, которым может быть стекло, газ, жадность, с помощью специальных импульсных электроламп вводится энергия. Молекулы активного вещества тотчас переводятся в возбужденное состояние и излучают свет. Само активное вещество является резонатором - оптической системой из двух параллельных зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями. Это может быть рубиновый стержень размером с карандаш с зеркальными торцами. Для вывода излучения из резонатора в намеченном направлении одно из зеркал делается отражающим полностью, а другое частично. Через него и может пройти излучение.
Эта система представляет собой усилитель, который действует так.
Первоначально слабое излучение, вызванное импульсной лампой, проходит через активную среду и вызывает дополнительное высвечивание молекул, находящихся в возбужденном состоянии. Это уже немного усиленное теперь излучение, отражаясь от зеркал и вновь проходя через среду, вызывает излучение следующих молекул и так далее. В результате происходит лавинообразная цепная реакция, приводящая к вспышке лазера.
Перемещая зеркала, можно нарушать условия отражения света, то есть как бы выводить из строя резонатор. Это делается для того, чтобы можно было возбуждать молекулы активной среды до максимально допустимой величины и лишь затем снова "вводить резонатор в строй", заставляя его молекулы в импульсе отдавать энергию.
И еще несколько слов о необыкновенных свойствах лазеров. Эти источники света, несмотря на мощные импульсы, не раскаляются, и их можно считать холодными.
Расходимость лазерных пучков световых волн в конечном счете зависит от точности изготовления и размеров этих приборов. При колоссальныхмощностях потоки излучения подчиняются в пространстве законам геометрической оптики. Поэтому, используя обычные линзы, их можно концентрировать на очень малых мишенях, сравнимых с длиной волны излучения. При этом плотность мощности может достигать 1014-1016 ватт на квадратный сантиметр.
Выше приводилось выражение: "потоки излучения лазера"; а это не совсем верно. На самом деле, лазерный луч представляет собой сгусток энергии, длина которого может быть, скажем, 30 сантиметров, а иногда и меньше.
Оторвавшись от лазера, этот спрессованный сгусток света распространяется по законам оптики. Свет идет в виде сгустка, потому что длительность отдельной вспышки в лазере очень мала: 10^-9-10^-11 секунды.
Пожалуй, вот и все, что необходимо для понимания связи квантового оптического генератора и термоядерной реакции.
Вторая жизнь открытия
Теперь можно вернуться к уже упомянутому предложению Н. Басова и О. Крохина об использовании лазера для получения термоядерной реакции.
В принципе физическая сх.ема осуществления лазерного термоядерного синтеза достаточно проста. На яебольшой шарик (теперь это мишень) замороженной дейтериево-тритиевой смеси направляют этот луч. Шарик мгновенно разогревается. Вскоре его температура достигает нескольких десятков миллионов градусов, то есть того предела, за которым начинается интенсивная термоядерная реакция. Увы, начавшись, она тут же прекратится, так как взрыв термоядерного топлива - ядер дейтерия и трития, превратившихся в плазму, - разбросает это топливо в разные стороны.
Удержать вещество шарика, доведенного до четвертого состояния, невозможно. При плотности вещества в кубическом сантиметре этого шарика 1022-1023 ядер давление плазмы в тысячи раз превысит те силы, которые сегодня можно создавать с помощью магнитных полей для удержания вещества мишеней от преждевременного разлета.
Но, оказывается, для осуществления реакции в такой плотной плазме вовсе не обязательно магнитное удержание. Ведь в ней все произойдет так быстро, что большинство пар дейтерий - тритий успеет прореагировать, образовав ядра гелия за очень короткое время, еще до того, как шарик прекратит свое существование. Какое же это время?
Скорость разлета плазмы при температуре, например, в сто миллионов градусов, равная скорости звука в плазме при этой температуре, составляет около тысячи километров в секунду. Значит, путь, равный размеру шарика, скажем, в несколько миллиметров, плазма пройдет за миллиардные доли секунды. За это время от центра шарика, где в первую очередь и начинается термоядерная реакция, волна разрежения вещества дойдет до верхних наружных слоев, плотность ядер топлива в единице объема станет малой и реакция затухнет.
Характер протекания этого взрыва показывает, что всю энергию лазерного луча, необходимую для возбуждения термоядерной реакции, надо успеть внести за время, по крайней мере не большее, чем время разлета плазмы, образовавшейся из первоначальной прореагировавшей части шарика-мишени. Возможно ли это?
Да, мы об этом уже говорили. Лазер как раз такое устройство, которое позволяет создавать очень короткие импульсы энергии длительностью в 10^-9-10^-11 секунды.
Стоит сказать еще об одном условии, необходимом для осуществления термоядерной реакции. Какое количество энергии, которую должен внести лазерный импульс в шарик за этот короткий миг, чтобы разогреть его до необходимой температуры? Эта энергия, по нашим житейским представлениям, невелика: для шарика весом в один грамм (такой вес и нужен для того, чтобы реакция прошла успешно) эта величина колеблется в пределах от 30 до 300 киловатт-часов.
Действительно, не очень-то много. Однако, если вспомнить, что энергия, выстреливаемая лазером в импульсе, составляет всего несколько сотых долей ваттчаса, то ясно, что одним лазером ничего поделать нельзя. Значит, для получения импульса с минимальной для начала реакции величиной энергии, хотя бы в 30 киловатт-часов, придется "взять в упряжку" миллионы лазеров! Практически такая задача совершенно невыполнима. Перед этой фантастикой отступили даже наиболее оптимистично настроенные ученые. И казалось, что работа зашла в тупик. Это был один из самых трудных переломных моментов в исследованиях по лазерному термоядерному синтезу. Но тут группа ученых "выдала" довольно простую идею. Вот ее смысл: до нагревания шарика необходимо сильно увеличить его плотность с помощью энергии того же лазера. Это позволит тогда существенно уменьшить необходимую для зажигания реакции энергию лазера.
Сама идея безударного адиабатического сжатия, безусловно, не только хорошо известна и применяется специалистами, но и изложена во множестве учебников и монографий. Тем не менее в применении к проблеме лазерного термоядерного синтеза она оказалась принципиально новым техническим решением.
Чтобы сжать шарик из термоядерного топлива и увеличить его плотность в десятки тысяч раз, нужно создать на его поверхности давление, равное, например, давлению в центре Солнца. Полагают, что за счет сил гравитации оно гам равно ста миллиардам атмосфер.
Сто миллиардов атмосфер! Сопоставим эту величину с привычными мерками. Всяческими механическими ухищрениями или детонацией взрывчатых веществ достигают только около миллиона атмосфер. За счет сферического взрывного обжатия можно это давление увеличить еще примерно в 10 раз.
Собственно лазерное излучение создает на поверхности шарика огромное давление в 100 миллионов атмосфер! Но этого еще мало! Нужно больше. Необходимое давление получается "автоматически": при взаимодействии луча лазера с поверхностью шарика вещество поверхности шарика взрывается и начинает разлетаться, создавая импульс давления, направленный внутрь шарика, то есть сжимает шарик. Этот импульс гораздо больше того, что создается самим лучом. Те, кто интересовался работой реактивных двигателей, знают, что при равной мощности двигатель с материальным рабочим телом, например водородом, создает большую тягу (то есть давление), чем фотонный (световой). Значит, сжатие шарика, создаваемое реактивным действием плазменной струи испаряющегося вещества, больше, чем действие лазерного луча. Вследствие этого эффекта давление светового луча на поверхности шарика увеличивается еще в 100 раз. Наконец оно может возрасти почти на столько же за счет применения взрывного обжатия шарика.
В конечном счете лазер может создать в шарике из топлива давление, сравнимое с давлением в центре Солнца.
Существует, однако, на этом пути серьезное препятствие. Если пытаться брать данную крепость, что называется, "в лоб", одним ударом лазерного луча, то почти ничего не получится, так как плотность шарика увеличится всего в несколько десятков раз. Ее возрастанию помешает быстрый нагрев шарика, а с ростом его температуры станет расти его внутреннее давление (или упругость). А это будет препятствовать дальнейшему сжатию, и разогретый шарик, не успев как следует сжаться, начнет расширяться. В противовес этому было предложено не простое, а "безударное адиабатическое"
сжатие.
Приближенно его можно осуществить, если, меняя во времени мощность лазерного луча, произвести вначале обжатие шарика медленное, чтобы скорость сжатия на начальном этапе была меньше скорости звука в шарике и в нем не создавались бы ударные волны. Отсюда "безударное" сжатие, то есть отсутствие ударных волн, которые в противном случае, уходя вперед от фронта сжатия, разогревали бы шарик. Так как они не возникают почти до конца сжатия, то шарик не разогревается, поскольку в него не вносится тепло (адиабатическое сжатие). Затем на последнем этапе можно сильно увеличить мощность луча и разогреть шарик. При таком сжатии плотность в нем ядер возрастет в несколько тысяч раз и сможет достичь 1000-2000 граммов на кубический сантиметр.
Такая плотность в шарике из дейтериево-тритиевой смеси существенно меняет характер протекания термоядерной реакции. Поскольку количество ядер в единице объема возрастет, они начнут сталкиваться, как говорится, на каждом шагу. При увеличении плотности вещества в десять тысяч раз, в сто миллионов раз возрастет скорость термоядерной реакции, которая зависит от квадрата плотности вещества. А это означает, что за то время, пока шарик удерживается инерциальными силами, успевает сгореть большое количество термоядерного топлива даже при меньшей температуре разогрева. Выделившаяся при этом энергия во много раз превысит энергию лазерного луча, затраченную на разогрев и сжатие шарика.
Так, используя очень небольшую часть энергии лазера на уплотнение шарика, можно создать гораздо лучшие условия для осуществления термоядерной реакции, то есть значительно снизить требования к величине энергии, которую должен дать лазер для возбуждения термоядерной реакции.
Вспомните, если ранее в случае чисто теплового нагрева (без сверхсжатия) энергия, передаваемая лазером в импульсе, должна была находиться в интервале 30-300 киловатт-часов, то, воспользовавшись сверхсжатием, можно уменьшить ее в тысячу раз.
Задача существенно упростилась. Передача в концентрированном виде такой энергии с помощью системы лазерных устройств - это уже технически разрешимая проблема.
Есть термоядерные нейтроны!
В начале 60-х годов после создания лазеров и проведения первых теоретических исследований по их применению для термоядерного синтеза была начата подготовка к проведению экспериментов.
Многие формулы, схемы, чертежи требовали проверки на реальных физических моделях. Однако целесообразность развертывания работ по термоядерному синтезу, даже экспериментальных, вызывала сомнения и различное отношение. Скажем, специалисты Ливерморской лаборатории (США) считали, что полученные теоретические результаты по сжатию мишеней обнадеживающи, работы по ним следует продолжать Ученые же Лос-Аламосской лаборатории (США) утверждали, что лазерная техника не соответствует еще уровню, при котором было бы целесообразно положение работ и постановка экспериментов по лазерному термоядерному синтезу.
Расчеты Н. Басова и О. Крохина (Физический институт АН СССР - ФИАН) таковы, что будто бы подтверждают принципиальную возможность нагрева плазмы до термоядерных температур при облучении твердой мишени лазером.
Эти точки зрения разных физических коллективов сейчас мы можем сопоставить, а тогда они не были вза имоизвестны. Только опубликование в 1964 году статьи Н. Басова и О. Крохина о возможности достижения термоядерных температур с помощью лазеров положило начало программе работ в этом направлении во многие странах и дало им мощный толчок.
К этому времени на территории ФИАНа в двухэтажном кирпичном здании, получившем название лазерного павильона, был подготовлен к работе в те годы самый мощный в мире лазер с энергией около 0,01 ватт-часа (40 джоулей) и длительностью импульса 2,5 -10^-9 секунды.
Группа молодых физиков института надеялась, применив его для облучения газообразного дейтерия, получить термоядерные нейтроны - доказательство осуществления термоядерной реакции. Уж очень велико было их желание первыми получить термоядерные нейтроны. И это желание понятно. Ведь в основном поело статьи Н. Басова и О. Крохина в эксперименты по проблеме начали включаться многие исследовательские лаборатории США, Франции, ФРГ, Японии. И было бы очень отрадно, если бы и первые успешные результаты были бы получены самими авторами предложенного эксперимента.
Из работ академика А. Прохорова и профессора П. Пашинина было известно, что при искровом пробое газа лазерным лучом и его ионизации можно нагреть электроны плазмы примерно до 10 миллионов градусов.
Во многом история этого первого эксперимента напоминает историю с ложными нейтронами в опытах по самосжатому разряду.
Вот схема эксперимента в ФИАНе. Рядом с камерой с газообразным дейтерием, в которую направлялся луч лазера, размещался счетчик нейтронов. В случае возникновения в камере термоядерной реакции рождался пучок нейтронов. Он и заставил бы счетчик срабатывать и зажигать лампочку на панели прибора.
При первом же опыте лампочка засветилась. Неужели появились нейтроны? Слишком легкой казалась эта победа. Начались проверочные опыты. Линзу лазера закрыли непрозрачным экраном так, чтобы после вспышки луч вообще не попадал в камеру с дейтерием. Эксперимент повторили, и лампочка снова зажглась. Все стало ясно: она включалась вовсе не потому, что появлялись термоядерные нейтроны, а в результате электромагнитных наводок. С ними пришлось вести упорную борьбу. Но они были ликвидированы. Физики вступили в длительный этап повторяющихся экспериментов. Вот как участник этих опытов описывает случай, имевший место во время исследований.
В одном из экспериментов лампочка сработала. Невзирая на позднее время сразу позвонили академику Л. Арцимовичу. Он и его сотрудник В. Коган проявляли неослабевающий интерес к попыткам лазерщиков освоить новую специальность и всячески помогали дружескими советами. Академик тотчас приехал, сел на стул и приковал свой взгляд к заветной лампочке.
Вспышки лазера следовали одна за другой, но аппаратура не проявляла признаков активности. Время перевалило уже за полночь. Но в павильоне горит свет, работают насосы, на стеклянных деталях вспыхивают отблески лазерного света. Лев Андреевич, уставший после напряженного двенадцатичасового рабочего дня, слегка задремал, сидя на с гуле. Потом, очнувшись, оценил обстановку и сказал: "Знаете, ребята, я пойду домой, а как только у вас что-нибудь получится, сразу звоните!
Обязательно звоните, в любое время ночи!"
Ему не позвонили ни в эту ночь, ни в следующую. Ожидаемый звонок прозвучал лишь через три года.
Уже в 1968 году в ФИАНе были зарегистрированы первые настоящие термоядерные нейтроны на мишени из дейтерида лития. Летом 1969 года в Лимейле (Франция) было получено от 100 до 1000 термоядерных нейтронов на импульс. В 1970 году подобные эксперименты были проведены в одной из лабораторий США, в Сандия. За последние годы в СССР и США были проведены эксперименты, в которых на один импульс получали от 107 до 109 нейтронов.
Этими опытами была экспериментально подтверждена плодотворность идеи сверхсжатия мишени.
Еще многое неясно, но...
Сейчас уже можно представить себе, как мог бы выглядеть энергетический термоядерный реактор с лазерным зажиганием. Конечно, только в самых общих чертах, потому что для того, чтобы этот реактор заработал, нужно решить еще очень много сложных задач и проблем. Еще неясно, как будут они решены и вообще произойдет ли это. Вдруг придется обратиться к другим идеям. А от этого зависит устройство реактора.
Заглянем вперед и предположим, что все трудности остались позади и мы стоим перед реактором. Его сердце - сферическая камера; в ее центре - та самая мишень-льдинка из замороженных дейтерия - трития.
В стенках камеры - окна. Через них на мишень со всех сторон направят лучи лазеров. Чтобы они на пути к ней не ослаблялись, в камере создается вакуум.
Но вот подается команда. Установка вот-вот задействует. Вспыхивает лазер, и шарик-льдинка взрывается.
Взрыв только одного шарика эквивалентен взрыву 10-15 килограммов тринитротолуола, то есть 10- 50 киловатт-часов энергии. Но это еще не все. Чтобы такой реактор стал действительно энергетической, а не экспериментальной установкой, эти взрывы в течение одного даже часа должны повторяться десятки, а то и сотни тысяч раз. При этом тепловая мощность реактора будет составлять несколько миллионов киловатт.
Необходимо подчеркнуть, что энергия синтеза в реакторе выделяется в виде стремительно разлетающихся атомов гелия (альфа-частиц), рентгеновского излучения и нейтронов. Как и в случае термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы, взрывная камера окружена бланкетом - несколькими слоями различных веществ, в которых кинетическая энергия влетающих туда нейтронов превращается в тепловую.
Сам-и же нейтроны используются для получения трития из лития. Тепловая энергия отводится из бланкета и преобразуется в электрическую, часть которой направляется на лазерную установку, а остальная идет в энергосеть.
Конечно, это только один из многих возможных вариантов. Например, есть заманчивое предложение о непосредственном преобразовании кинетической энергии расширяющейся плазмы в электрическую при ее взаимодействии с магнитным полем, созданным внешними сверхпроводящими катушками.
Надо заметить, что создание почти любого блока установки, почти каждой из ее систем требует нового, нестандартного подхода. Здесь есть где развернуться и показать свои способности изобретателям, которые помогут создать совершенный реактор.
Возьмем, к примеру, систему подачи шарика-мишени, и мишени не простой, а движущейся. Она должна пройти свой путь так, чтобы лазерный луч не просто попал в нее, а вошел с большой точностью в самый центр.
В противном случае подача энергии будет неравномерной, значит, нарушится симметричность сжатия, не будет достигнута нужная плотность и температура шарика и окажется, что энергия лазерного выстрела затрачена вспустую. Шарик-мишень не взорвется, термоядерная энергия не выделится или ее выйдет меньше, чем затрачено на лазерный импульс.
Ввод мишени с большой точностью в область максимальной фокусировки лазерного излучения является большой самостоятельной проблемой. Нужно создать такую систему, которая обеспечивала бы размеренное появление в центре камеры одного за другим, скажем, десяти шариков в секунду. По-видимому, из многих рассмотренных способов наиболее многообещающим является баллистический метод выстреливания ими в точку схождения лазерных лучей с автоматической корректировкой их траектории. Специальный инжектор разгоняет шарики до скорости в несколько сот метров в секунду и выстреливает их в камеру. Система наведения мишеней в фокус автоматически отбирает только те из них, которые летят в нужную точку с необходимой точностью.
Лазер срабатывает только и только тогда, когда шарик-мишень выдерживает заданную точность траектории. В противном случае он не стреляет, мишень остается целой и вновь забирается в баллистическую систему ввода мишеней, и снова выстреливается в камеру.
Теперь о лазере. Его энергия в одном канале не может по разным причинам превышать 0,05-0,1 ватт-часа. В то же время энергия импульса должна быть не меньше 30 ватт-часов. Чтобы получить эту энергию, используют несколько лазеров, луч каждого из них расщепляют на несколько самостоятельных, усиливают до предельной величины и направляют на шарик-мишень.
Такая система позволяет существенно уменьшить разновременность попадания на его поверхность световых импульсов. Ведь эта разница должна быть намного меньше длительности самого импульса.
Понятно, что разновременность прихода световых вспышек может возникать не только из-за того, что первоначальные импульсы нескольких лазеров возбуждаются в разное время, но и просто из-за разной длины оптических путей всех лучей. При общей их длине в несколько десятков метров разница не должна превышать долей миллиметра.
Несмотря на большую сложность создания мощных лазерных систем, уже сейчас действуют установки с энергией импульса, равной 3-5 ватт-часам. Это система "Дельфин" в СССР и "Шива" в США.
Вернемся в нашем повествовании на шаг назад. Мы еще почти ничего не говорили о том, как выглядит самое термоядерное топливо: шарик-мишень. Если бы удалось осуществить режим сверхсжатия вещества согласно предложению американских физиков, то для шарика годилась бы однородная смесь дейтерия и трития.
Но предложенный режим требует очень резкого изменения во времени мощности лазерного импульса, Примерно за 10^-8 секунды она должна возрасти в миллион раз. При этом половина всей энергии импульса должна выделиться всего за 10^-11 секунды. Задача эта чрезвычайно трудная.
Так как же работает лазерный реактор?
Проследим за протекающими в нем потоками энергии. Для этого введем в лазерную систему 1 киловаттчас электроэнергии, девять десятых которой потеряется при накачке лазера и в процессе его вспышки. В импульсе полетит сгусток энергии всего в 0,1 киловатт-часа. На этом потери не кончаются. Около 90 процентов от 0,1 киловатт-часа рассеется на шарике-мишени и потеряется по пути к нему. Значит, на разогрев и сжатие шарика пойдет только 0,01 киловатт-часа.
Но дальше нас ожидает награда за ранее понесенные потери. За счет термоядерного синтеза выделятся 10 киловатт-часов. Преобразуя эту тепловую энергию в электрическую, мы получим 4 киловатт-часа. Отдав из них 1 киловатт-час на новую вспышку лазера, мы получим 3 киловатт-часа полезной электроэнергии.
Если ежесекундно проводить около ста таких вспышек, то мы получим термоядерную электростанцию с лазерным реактором мощностью в миллион киловатт!
Не предвидя, конечно, создания известного современному человечеству удивительного прибора, имеющего совершенно иное назначение, автор романа писал: "Первый удар луча гиперболоида пришелся по заводской трубе - она заколебалась, надломилась посередине и упала... Был виден завод, раскинувшийся на много километров. Половина зданий его пылала, как карточные домики. Луч бешено плясал среди этого разрушения".
Лазер называют еще квантовым генератором света.
Родился он в конце 50-х годов нашего века. Главная роль в создании этого источника светового излучения принадлежит советским ученым - Н. Басову, А. Прохорову и американцу Таунсу.
Чем же интересен этот источник света и каковы его особенности?
Одно из присущих ему замечательных качеств - мощность. Чтобы читатель получил о ней представление, воспользуемся таким примером нить обычной лампы накаливания станет испускать такой же яркости свет, как небольшой квантовый генератор, если ее температуру довести до 10 миллиардов градусов, то есть сделать в миллион раз горячее поверхности Солнца.
Несмотря на то что количество энергии, которое лазер "выстреливает" в импульсе, невелико, скажем 0,03- 0,05 ватт-часа, удельная мощность импульса может быть очень высокой - до 1017-1020 ватт в кубическом сантиметре. Для сравнения напомним, что в ядерных реакторах деления удельная мощность колеблется в пределах ог 10 до 1000 ватт в кубическом сантиметре, а в термоядерном - 100 ватт.
Другое замечательное качество лазера, или, точнее, светового излучения, создаваемого им, - это способность концентрировать энергию в фантастически малых объемах. Используя в лабораторных условиях относительно небольшую энергию, скажем равную одной килокалории, можно получить плотность энергии в кубическом сантиметре десять миллионов килокалорий, то есть в миллион раз больше той, какую можно достичь с применением самых эффективных современных взрывчатых веществ.
За счет чего достигается такая концентрация энергии?
Солнце, электрическая лампочка и другие источники излучают свет в виде независимых друг от друга разных по длине волн. Получается это потому, что испускающие свет атомы и электроны при нагревании движутся хаотически. Эти независимые, беспорядочно колеблющиеся волны света невозможно объединить в один узкий пучок. Этим объясняется расширение луча прожектора с расстоянием.
Если же создать устройство, которое заставляло бы атомы излучать световую волну определенной одинаковой длины и не беспорядочно, а согласованно во времени, оно обеспечило бы мощный, нерасходящийся, как говорят, когерентный луч света. Именно таким устройством и является лазер.
Как он работает?
В его рабочее (активное) вещество, которым может быть стекло, газ, жадность, с помощью специальных импульсных электроламп вводится энергия. Молекулы активного вещества тотчас переводятся в возбужденное состояние и излучают свет. Само активное вещество является резонатором - оптической системой из двух параллельных зеркал, обращенных друг к другу отражающими поверхностями. Это может быть рубиновый стержень размером с карандаш с зеркальными торцами. Для вывода излучения из резонатора в намеченном направлении одно из зеркал делается отражающим полностью, а другое частично. Через него и может пройти излучение.
Эта система представляет собой усилитель, который действует так.
Первоначально слабое излучение, вызванное импульсной лампой, проходит через активную среду и вызывает дополнительное высвечивание молекул, находящихся в возбужденном состоянии. Это уже немного усиленное теперь излучение, отражаясь от зеркал и вновь проходя через среду, вызывает излучение следующих молекул и так далее. В результате происходит лавинообразная цепная реакция, приводящая к вспышке лазера.
Перемещая зеркала, можно нарушать условия отражения света, то есть как бы выводить из строя резонатор. Это делается для того, чтобы можно было возбуждать молекулы активной среды до максимально допустимой величины и лишь затем снова "вводить резонатор в строй", заставляя его молекулы в импульсе отдавать энергию.
И еще несколько слов о необыкновенных свойствах лазеров. Эти источники света, несмотря на мощные импульсы, не раскаляются, и их можно считать холодными.
Расходимость лазерных пучков световых волн в конечном счете зависит от точности изготовления и размеров этих приборов. При колоссальныхмощностях потоки излучения подчиняются в пространстве законам геометрической оптики. Поэтому, используя обычные линзы, их можно концентрировать на очень малых мишенях, сравнимых с длиной волны излучения. При этом плотность мощности может достигать 1014-1016 ватт на квадратный сантиметр.
Выше приводилось выражение: "потоки излучения лазера"; а это не совсем верно. На самом деле, лазерный луч представляет собой сгусток энергии, длина которого может быть, скажем, 30 сантиметров, а иногда и меньше.
Оторвавшись от лазера, этот спрессованный сгусток света распространяется по законам оптики. Свет идет в виде сгустка, потому что длительность отдельной вспышки в лазере очень мала: 10^-9-10^-11 секунды.
Пожалуй, вот и все, что необходимо для понимания связи квантового оптического генератора и термоядерной реакции.
Вторая жизнь открытия
Теперь можно вернуться к уже упомянутому предложению Н. Басова и О. Крохина об использовании лазера для получения термоядерной реакции.
В принципе физическая сх.ема осуществления лазерного термоядерного синтеза достаточно проста. На яебольшой шарик (теперь это мишень) замороженной дейтериево-тритиевой смеси направляют этот луч. Шарик мгновенно разогревается. Вскоре его температура достигает нескольких десятков миллионов градусов, то есть того предела, за которым начинается интенсивная термоядерная реакция. Увы, начавшись, она тут же прекратится, так как взрыв термоядерного топлива - ядер дейтерия и трития, превратившихся в плазму, - разбросает это топливо в разные стороны.
Удержать вещество шарика, доведенного до четвертого состояния, невозможно. При плотности вещества в кубическом сантиметре этого шарика 1022-1023 ядер давление плазмы в тысячи раз превысит те силы, которые сегодня можно создавать с помощью магнитных полей для удержания вещества мишеней от преждевременного разлета.
Но, оказывается, для осуществления реакции в такой плотной плазме вовсе не обязательно магнитное удержание. Ведь в ней все произойдет так быстро, что большинство пар дейтерий - тритий успеет прореагировать, образовав ядра гелия за очень короткое время, еще до того, как шарик прекратит свое существование. Какое же это время?
Скорость разлета плазмы при температуре, например, в сто миллионов градусов, равная скорости звука в плазме при этой температуре, составляет около тысячи километров в секунду. Значит, путь, равный размеру шарика, скажем, в несколько миллиметров, плазма пройдет за миллиардные доли секунды. За это время от центра шарика, где в первую очередь и начинается термоядерная реакция, волна разрежения вещества дойдет до верхних наружных слоев, плотность ядер топлива в единице объема станет малой и реакция затухнет.
Характер протекания этого взрыва показывает, что всю энергию лазерного луча, необходимую для возбуждения термоядерной реакции, надо успеть внести за время, по крайней мере не большее, чем время разлета плазмы, образовавшейся из первоначальной прореагировавшей части шарика-мишени. Возможно ли это?
Да, мы об этом уже говорили. Лазер как раз такое устройство, которое позволяет создавать очень короткие импульсы энергии длительностью в 10^-9-10^-11 секунды.
Стоит сказать еще об одном условии, необходимом для осуществления термоядерной реакции. Какое количество энергии, которую должен внести лазерный импульс в шарик за этот короткий миг, чтобы разогреть его до необходимой температуры? Эта энергия, по нашим житейским представлениям, невелика: для шарика весом в один грамм (такой вес и нужен для того, чтобы реакция прошла успешно) эта величина колеблется в пределах от 30 до 300 киловатт-часов.
Действительно, не очень-то много. Однако, если вспомнить, что энергия, выстреливаемая лазером в импульсе, составляет всего несколько сотых долей ваттчаса, то ясно, что одним лазером ничего поделать нельзя. Значит, для получения импульса с минимальной для начала реакции величиной энергии, хотя бы в 30 киловатт-часов, придется "взять в упряжку" миллионы лазеров! Практически такая задача совершенно невыполнима. Перед этой фантастикой отступили даже наиболее оптимистично настроенные ученые. И казалось, что работа зашла в тупик. Это был один из самых трудных переломных моментов в исследованиях по лазерному термоядерному синтезу. Но тут группа ученых "выдала" довольно простую идею. Вот ее смысл: до нагревания шарика необходимо сильно увеличить его плотность с помощью энергии того же лазера. Это позволит тогда существенно уменьшить необходимую для зажигания реакции энергию лазера.
Сама идея безударного адиабатического сжатия, безусловно, не только хорошо известна и применяется специалистами, но и изложена во множестве учебников и монографий. Тем не менее в применении к проблеме лазерного термоядерного синтеза она оказалась принципиально новым техническим решением.
Чтобы сжать шарик из термоядерного топлива и увеличить его плотность в десятки тысяч раз, нужно создать на его поверхности давление, равное, например, давлению в центре Солнца. Полагают, что за счет сил гравитации оно гам равно ста миллиардам атмосфер.
Сто миллиардов атмосфер! Сопоставим эту величину с привычными мерками. Всяческими механическими ухищрениями или детонацией взрывчатых веществ достигают только около миллиона атмосфер. За счет сферического взрывного обжатия можно это давление увеличить еще примерно в 10 раз.
Собственно лазерное излучение создает на поверхности шарика огромное давление в 100 миллионов атмосфер! Но этого еще мало! Нужно больше. Необходимое давление получается "автоматически": при взаимодействии луча лазера с поверхностью шарика вещество поверхности шарика взрывается и начинает разлетаться, создавая импульс давления, направленный внутрь шарика, то есть сжимает шарик. Этот импульс гораздо больше того, что создается самим лучом. Те, кто интересовался работой реактивных двигателей, знают, что при равной мощности двигатель с материальным рабочим телом, например водородом, создает большую тягу (то есть давление), чем фотонный (световой). Значит, сжатие шарика, создаваемое реактивным действием плазменной струи испаряющегося вещества, больше, чем действие лазерного луча. Вследствие этого эффекта давление светового луча на поверхности шарика увеличивается еще в 100 раз. Наконец оно может возрасти почти на столько же за счет применения взрывного обжатия шарика.
В конечном счете лазер может создать в шарике из топлива давление, сравнимое с давлением в центре Солнца.
Существует, однако, на этом пути серьезное препятствие. Если пытаться брать данную крепость, что называется, "в лоб", одним ударом лазерного луча, то почти ничего не получится, так как плотность шарика увеличится всего в несколько десятков раз. Ее возрастанию помешает быстрый нагрев шарика, а с ростом его температуры станет расти его внутреннее давление (или упругость). А это будет препятствовать дальнейшему сжатию, и разогретый шарик, не успев как следует сжаться, начнет расширяться. В противовес этому было предложено не простое, а "безударное адиабатическое"
сжатие.
Приближенно его можно осуществить, если, меняя во времени мощность лазерного луча, произвести вначале обжатие шарика медленное, чтобы скорость сжатия на начальном этапе была меньше скорости звука в шарике и в нем не создавались бы ударные волны. Отсюда "безударное" сжатие, то есть отсутствие ударных волн, которые в противном случае, уходя вперед от фронта сжатия, разогревали бы шарик. Так как они не возникают почти до конца сжатия, то шарик не разогревается, поскольку в него не вносится тепло (адиабатическое сжатие). Затем на последнем этапе можно сильно увеличить мощность луча и разогреть шарик. При таком сжатии плотность в нем ядер возрастет в несколько тысяч раз и сможет достичь 1000-2000 граммов на кубический сантиметр.
Такая плотность в шарике из дейтериево-тритиевой смеси существенно меняет характер протекания термоядерной реакции. Поскольку количество ядер в единице объема возрастет, они начнут сталкиваться, как говорится, на каждом шагу. При увеличении плотности вещества в десять тысяч раз, в сто миллионов раз возрастет скорость термоядерной реакции, которая зависит от квадрата плотности вещества. А это означает, что за то время, пока шарик удерживается инерциальными силами, успевает сгореть большое количество термоядерного топлива даже при меньшей температуре разогрева. Выделившаяся при этом энергия во много раз превысит энергию лазерного луча, затраченную на разогрев и сжатие шарика.
Так, используя очень небольшую часть энергии лазера на уплотнение шарика, можно создать гораздо лучшие условия для осуществления термоядерной реакции, то есть значительно снизить требования к величине энергии, которую должен дать лазер для возбуждения термоядерной реакции.
Вспомните, если ранее в случае чисто теплового нагрева (без сверхсжатия) энергия, передаваемая лазером в импульсе, должна была находиться в интервале 30-300 киловатт-часов, то, воспользовавшись сверхсжатием, можно уменьшить ее в тысячу раз.
Задача существенно упростилась. Передача в концентрированном виде такой энергии с помощью системы лазерных устройств - это уже технически разрешимая проблема.
Есть термоядерные нейтроны!
В начале 60-х годов после создания лазеров и проведения первых теоретических исследований по их применению для термоядерного синтеза была начата подготовка к проведению экспериментов.
Многие формулы, схемы, чертежи требовали проверки на реальных физических моделях. Однако целесообразность развертывания работ по термоядерному синтезу, даже экспериментальных, вызывала сомнения и различное отношение. Скажем, специалисты Ливерморской лаборатории (США) считали, что полученные теоретические результаты по сжатию мишеней обнадеживающи, работы по ним следует продолжать Ученые же Лос-Аламосской лаборатории (США) утверждали, что лазерная техника не соответствует еще уровню, при котором было бы целесообразно положение работ и постановка экспериментов по лазерному термоядерному синтезу.
Расчеты Н. Басова и О. Крохина (Физический институт АН СССР - ФИАН) таковы, что будто бы подтверждают принципиальную возможность нагрева плазмы до термоядерных температур при облучении твердой мишени лазером.
Эти точки зрения разных физических коллективов сейчас мы можем сопоставить, а тогда они не были вза имоизвестны. Только опубликование в 1964 году статьи Н. Басова и О. Крохина о возможности достижения термоядерных температур с помощью лазеров положило начало программе работ в этом направлении во многие странах и дало им мощный толчок.
К этому времени на территории ФИАНа в двухэтажном кирпичном здании, получившем название лазерного павильона, был подготовлен к работе в те годы самый мощный в мире лазер с энергией около 0,01 ватт-часа (40 джоулей) и длительностью импульса 2,5 -10^-9 секунды.
Группа молодых физиков института надеялась, применив его для облучения газообразного дейтерия, получить термоядерные нейтроны - доказательство осуществления термоядерной реакции. Уж очень велико было их желание первыми получить термоядерные нейтроны. И это желание понятно. Ведь в основном поело статьи Н. Басова и О. Крохина в эксперименты по проблеме начали включаться многие исследовательские лаборатории США, Франции, ФРГ, Японии. И было бы очень отрадно, если бы и первые успешные результаты были бы получены самими авторами предложенного эксперимента.
Из работ академика А. Прохорова и профессора П. Пашинина было известно, что при искровом пробое газа лазерным лучом и его ионизации можно нагреть электроны плазмы примерно до 10 миллионов градусов.
Во многом история этого первого эксперимента напоминает историю с ложными нейтронами в опытах по самосжатому разряду.
Вот схема эксперимента в ФИАНе. Рядом с камерой с газообразным дейтерием, в которую направлялся луч лазера, размещался счетчик нейтронов. В случае возникновения в камере термоядерной реакции рождался пучок нейтронов. Он и заставил бы счетчик срабатывать и зажигать лампочку на панели прибора.
При первом же опыте лампочка засветилась. Неужели появились нейтроны? Слишком легкой казалась эта победа. Начались проверочные опыты. Линзу лазера закрыли непрозрачным экраном так, чтобы после вспышки луч вообще не попадал в камеру с дейтерием. Эксперимент повторили, и лампочка снова зажглась. Все стало ясно: она включалась вовсе не потому, что появлялись термоядерные нейтроны, а в результате электромагнитных наводок. С ними пришлось вести упорную борьбу. Но они были ликвидированы. Физики вступили в длительный этап повторяющихся экспериментов. Вот как участник этих опытов описывает случай, имевший место во время исследований.
В одном из экспериментов лампочка сработала. Невзирая на позднее время сразу позвонили академику Л. Арцимовичу. Он и его сотрудник В. Коган проявляли неослабевающий интерес к попыткам лазерщиков освоить новую специальность и всячески помогали дружескими советами. Академик тотчас приехал, сел на стул и приковал свой взгляд к заветной лампочке.
Вспышки лазера следовали одна за другой, но аппаратура не проявляла признаков активности. Время перевалило уже за полночь. Но в павильоне горит свет, работают насосы, на стеклянных деталях вспыхивают отблески лазерного света. Лев Андреевич, уставший после напряженного двенадцатичасового рабочего дня, слегка задремал, сидя на с гуле. Потом, очнувшись, оценил обстановку и сказал: "Знаете, ребята, я пойду домой, а как только у вас что-нибудь получится, сразу звоните!
Обязательно звоните, в любое время ночи!"
Ему не позвонили ни в эту ночь, ни в следующую. Ожидаемый звонок прозвучал лишь через три года.
Уже в 1968 году в ФИАНе были зарегистрированы первые настоящие термоядерные нейтроны на мишени из дейтерида лития. Летом 1969 года в Лимейле (Франция) было получено от 100 до 1000 термоядерных нейтронов на импульс. В 1970 году подобные эксперименты были проведены в одной из лабораторий США, в Сандия. За последние годы в СССР и США были проведены эксперименты, в которых на один импульс получали от 107 до 109 нейтронов.
Этими опытами была экспериментально подтверждена плодотворность идеи сверхсжатия мишени.
Еще многое неясно, но...
Сейчас уже можно представить себе, как мог бы выглядеть энергетический термоядерный реактор с лазерным зажиганием. Конечно, только в самых общих чертах, потому что для того, чтобы этот реактор заработал, нужно решить еще очень много сложных задач и проблем. Еще неясно, как будут они решены и вообще произойдет ли это. Вдруг придется обратиться к другим идеям. А от этого зависит устройство реактора.
Заглянем вперед и предположим, что все трудности остались позади и мы стоим перед реактором. Его сердце - сферическая камера; в ее центре - та самая мишень-льдинка из замороженных дейтерия - трития.
В стенках камеры - окна. Через них на мишень со всех сторон направят лучи лазеров. Чтобы они на пути к ней не ослаблялись, в камере создается вакуум.
Но вот подается команда. Установка вот-вот задействует. Вспыхивает лазер, и шарик-льдинка взрывается.
Взрыв только одного шарика эквивалентен взрыву 10-15 килограммов тринитротолуола, то есть 10- 50 киловатт-часов энергии. Но это еще не все. Чтобы такой реактор стал действительно энергетической, а не экспериментальной установкой, эти взрывы в течение одного даже часа должны повторяться десятки, а то и сотни тысяч раз. При этом тепловая мощность реактора будет составлять несколько миллионов киловатт.
Необходимо подчеркнуть, что энергия синтеза в реакторе выделяется в виде стремительно разлетающихся атомов гелия (альфа-частиц), рентгеновского излучения и нейтронов. Как и в случае термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы, взрывная камера окружена бланкетом - несколькими слоями различных веществ, в которых кинетическая энергия влетающих туда нейтронов превращается в тепловую.
Сам-и же нейтроны используются для получения трития из лития. Тепловая энергия отводится из бланкета и преобразуется в электрическую, часть которой направляется на лазерную установку, а остальная идет в энергосеть.
Конечно, это только один из многих возможных вариантов. Например, есть заманчивое предложение о непосредственном преобразовании кинетической энергии расширяющейся плазмы в электрическую при ее взаимодействии с магнитным полем, созданным внешними сверхпроводящими катушками.
Надо заметить, что создание почти любого блока установки, почти каждой из ее систем требует нового, нестандартного подхода. Здесь есть где развернуться и показать свои способности изобретателям, которые помогут создать совершенный реактор.
Возьмем, к примеру, систему подачи шарика-мишени, и мишени не простой, а движущейся. Она должна пройти свой путь так, чтобы лазерный луч не просто попал в нее, а вошел с большой точностью в самый центр.
В противном случае подача энергии будет неравномерной, значит, нарушится симметричность сжатия, не будет достигнута нужная плотность и температура шарика и окажется, что энергия лазерного выстрела затрачена вспустую. Шарик-мишень не взорвется, термоядерная энергия не выделится или ее выйдет меньше, чем затрачено на лазерный импульс.
Ввод мишени с большой точностью в область максимальной фокусировки лазерного излучения является большой самостоятельной проблемой. Нужно создать такую систему, которая обеспечивала бы размеренное появление в центре камеры одного за другим, скажем, десяти шариков в секунду. По-видимому, из многих рассмотренных способов наиболее многообещающим является баллистический метод выстреливания ими в точку схождения лазерных лучей с автоматической корректировкой их траектории. Специальный инжектор разгоняет шарики до скорости в несколько сот метров в секунду и выстреливает их в камеру. Система наведения мишеней в фокус автоматически отбирает только те из них, которые летят в нужную точку с необходимой точностью.
Лазер срабатывает только и только тогда, когда шарик-мишень выдерживает заданную точность траектории. В противном случае он не стреляет, мишень остается целой и вновь забирается в баллистическую систему ввода мишеней, и снова выстреливается в камеру.
Теперь о лазере. Его энергия в одном канале не может по разным причинам превышать 0,05-0,1 ватт-часа. В то же время энергия импульса должна быть не меньше 30 ватт-часов. Чтобы получить эту энергию, используют несколько лазеров, луч каждого из них расщепляют на несколько самостоятельных, усиливают до предельной величины и направляют на шарик-мишень.
Такая система позволяет существенно уменьшить разновременность попадания на его поверхность световых импульсов. Ведь эта разница должна быть намного меньше длительности самого импульса.
Понятно, что разновременность прихода световых вспышек может возникать не только из-за того, что первоначальные импульсы нескольких лазеров возбуждаются в разное время, но и просто из-за разной длины оптических путей всех лучей. При общей их длине в несколько десятков метров разница не должна превышать долей миллиметра.
Несмотря на большую сложность создания мощных лазерных систем, уже сейчас действуют установки с энергией импульса, равной 3-5 ватт-часам. Это система "Дельфин" в СССР и "Шива" в США.
Вернемся в нашем повествовании на шаг назад. Мы еще почти ничего не говорили о том, как выглядит самое термоядерное топливо: шарик-мишень. Если бы удалось осуществить режим сверхсжатия вещества согласно предложению американских физиков, то для шарика годилась бы однородная смесь дейтерия и трития.
Но предложенный режим требует очень резкого изменения во времени мощности лазерного импульса, Примерно за 10^-8 секунды она должна возрасти в миллион раз. При этом половина всей энергии импульса должна выделиться всего за 10^-11 секунды. Задача эта чрезвычайно трудная.
Так как же работает лазерный реактор?
Проследим за протекающими в нем потоками энергии. Для этого введем в лазерную систему 1 киловаттчас электроэнергии, девять десятых которой потеряется при накачке лазера и в процессе его вспышки. В импульсе полетит сгусток энергии всего в 0,1 киловатт-часа. На этом потери не кончаются. Около 90 процентов от 0,1 киловатт-часа рассеется на шарике-мишени и потеряется по пути к нему. Значит, на разогрев и сжатие шарика пойдет только 0,01 киловатт-часа.
Но дальше нас ожидает награда за ранее понесенные потери. За счет термоядерного синтеза выделятся 10 киловатт-часов. Преобразуя эту тепловую энергию в электрическую, мы получим 4 киловатт-часа. Отдав из них 1 киловатт-час на новую вспышку лазера, мы получим 3 киловатт-часа полезной электроэнергии.
Если ежесекундно проводить около ста таких вспышек, то мы получим термоядерную электростанцию с лазерным реактором мощностью в миллион киловатт!