Директор Института ЛаПлаз Андрей Кузнецов о главном событии года в области термоядерного синтеза

Названы главные ученые года. Среди десяти человек, которые, по мнению редакции известного научного журнала Nature, формировали науку в 2023 году, Энни Критчер – американский физик, одна из ключевых участников экспериментальной программы по зажиганию термоядерной реакции на лазерной установке мегаджоульного уровня энергии NIF. Директор Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Андрей Кузнецов прокомментировал это событие и рассказал о перспективах в области исследования и применения процессов термоядерного синтеза.    

– NIF (National Ignition Facility) использует сверхмощное лазерное излучение для нагрева и сжатия небольшой капсулы, содержащей смесь дейтерия и трития, чтобы вызвать реакции ядерного синтеза. Энни Критчер и другим ученым из NIF удалось превысить знаменитый критерий Лоусона, в ходе эксперимента этого года они, используя 2,05 мегаджоуля лазерной энергии, получили рекордную термоядерную энергию 3,88 мегаджоулей. Это научный прорыв?

– Это действительно очень значимое событие. Национальный проект зажигания в США, NIF, был запущен в 2009 году. Предполагалось, что уже через три года после этого удастся достичь важной цели – заставить термоядерное топливо загореться. В лазерном термоядерном синтезе этот процесс очень короткий, длительностью порядка 10 наносекунд, но сопровождается он выделением энергии на порядки большей, чем было вложено. В теории, при термояде полученной энергии может быть в тысячу раз больше, чем вложенной. Тогда мы получим энергетически выгодную реакцию.

Добиться результата к 2012 году не удалось. Научное сообщество не понимало, что происходит с веществом в той капсуле, где осуществляется термоядерный синтез. Понадобилось более 10 лет, чтобы это понимание пришло. За это время проделана колоссальная по сложности и объему работа по совершенствованию лазера, конструкции бокса-конвертера (хольраума) и самой капсулы, где топливо содержится.

Тот прорыв, который отметил журнал Nature, другие авторитетные издания и научное сообщество, результат большой многолетней работы большого коллектива людей.   

– Каков главный итог этой работы, есть ли у нее практическое применение?

– Если 10 лет назад, когда эксперименты в этой области только начинались, при вложенных 1,8 мегаджоулях лазерной энергии исследователям удавалось получить благодаря термоядерному синтезу около 1,5 килоджоулей энергии, то в этом году ситуация радикальным образом изменилась. Количество полученной в результате термоядерного синтеза энергии в экспериментах этого года увеличилось более чем в 2000 раз! При этом энергия лазера увеличилась всего на 14%.

Ученые научились моделировать на компьютерах те процессы, которые происходят в экспериментах. Прогноз, моделирование и экспериментальные результаты совпали очень точно.

Пожалуй, это самое важное событие в области лазерного термояда за последние полвека. В работе ученых из NIF есть все: ядерная и лазерная физика, физика плазмы, физика высоких плотностей энергии, оптика, новые материалы, нанотехнологии, суперкомпьтерное моделирование.

По существу, эта работа носит глобальную энергетическую цель – создание практически бесконечного ресурса энергии на основе реакций синтеза легких ядер водорода. Но она имеет и вторую не менее важную цель, – обеспечение национальной безопасности, поддержание и совершенствование ядерного щита.

– Речь идет о создании более мощного ядерного оружия?

– Делать еще более мощную ядерную бомбу бессмысленно. Речь идет скорее о совершенствовании оружия, а не об увеличении его мощности. И американцы думают и действуют в этом направлении. То, что теоретические расчеты и моделирование в области термоядерного синтеза совпали, говорит о том, что американские ученые уже очень многое понимают в тех процессах, которые происходят.

В планах США достичь 30 мегаджоулей по термоядерной энергии к 2030 году. Это уже реальная заявка на создание лазерного драйвера, с помощью которого можно получать положительную энергию, на переход от экспериментальной термоядерной физики к промышленной энерготехнологии, от электростанций на основе делений тяжелых ядер урана к энергетике на основе синтеза легких ядер.

– Такой энергопереход будет выгоден?

Несомненно. Калорийность термоядерного топлива в почти 4 раза больше, чем уранового.

– А в России проводятся подобные исследования и эксперименты?

– У нас в стране аналогичная работа по лазерному термоядерному синтезу ведется Госкорпорацией «Росатом». Строится установка УФЛ-2М в Сарове. Когда она будет полностью создана, по энергетике она должна быть в два раза мощнее NIF.

На сегодняшний день мы не отстаем от американских коллег по уровню научной проработки, но до результата, полученного в США в этом году, еще далеко.

Есть такой парадокс: уже через девять лет после взрыва американских атомных бомб «Малыш» и «Толстяк» у нас в Обнинске была создана первая мирная атомная электростанция. С момента взрыва термоядерной бомбы прошло более 70 лет, но термоядерных электростанций до сих пор не создано. Это говорит о сложности овладения такой реакцией. Звезды прекрасно работают именно на термоядерном топливе, но в земных условиях управлять этой энергией оказалось очень сложно.