Двадцать лет спустя

Один из способов овладения ядерной энергией — использование энергии реакции синтеза тяжелых изотопов водорода. Для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС) учеными нашей страны в начале 60-х годов ХХ века было предложено применить мощные импульсные лазеры.

Лазер используется для создания и быстрого нагрева плазмы до термоядерных температур (? 100 миллионов градусов). Расчет идет на то, что термоядерные реакции успеют произойти до того, как сгусток плазмы разлетится. То есть при этом должно произойти не что иное, как термоядерный микровзрыв. Ввиду того, что время, отпущенное на протекание реакций, определяется в этом случае инерционностью плазменного сгустка, этот подход называют инерционным термоядерным синтезом (ИТС).

Бурное развитие этого направления началось в семидесятые годы. С начала развития широкомасштабных исследований по лазерному ИТС в разных странах была построена целая серия лазеров с энергиями от сотен джоулей до сотни килоджоулей, на которых нарабатывалось понимание механизмов работы лазерных мишеней и уточнялись подходы к главной цели — зажиганию термоядерной мишени. Значительный вклад в исследования по этой проблеме внесли и российские ученые. Большой цикл экспериментальных и теоретических исследований под руководством академика Н. Г. Басова был проведен на установках «Кальмар» и «Дельфин» в Физическом институте АН СССР.

В семидесятые годы в исследования по проблеме лазерного термоядерного синтеза активно включился и коллектив ученых (ныне Институт лазерно-физических исследований — ИЛФИ) под руководством С. Б. Кормера и Г. А. Кириллова. В основном в мире исследования по лазерному ИТС проводятся с помощью лазеров на неодимовом стекле. Ориентация нашего коллектива была на лазеры, в которых активной средой является атомарный йод, Во ВНИИЭФ выбор йодного лазера был обусловлен большим опытом работы с фотодиссоционными лазерами, накачиваемыми светом фронта ударной волны, накопленным во ВНИИЭФ, ФИАН, ГОИ и НПО «Астрофизика». Уже в конце 60-х годов в таких лазерных установках была получена энергия излучения 106 Дж в импульсе длительностью 10−4.

Во ВНИИЭФ с 1975 года были широко развернуты расчетно-теоретические и экспериментальные работы по исследованию усиления коротких световых импульсов, реализующих высокую плотность запасенной энергии лазерно-активной среды, обеспечивающей усиление импульсов субнаносекундной длительности и получение высокого контраста излучения. Наряду с этим необходимо было решить вопросы: транспортировки лазерного излучения по усилительному тракту, создания и нанесения высокопрочных покрытий на крупноапертурные оптические элементы, получения малой расходимости излучения и фокусировки его на мишень. В результате этих работ появилось целое семейство мощных моноимпульсных установок «Искра». В 1975 году была создана йодная установка «Искра-3» с выходной мощностью 1 ТВт (триллион ватт). В 1979 году начала работу 10-тераватттная одноканальная установка «Искра-4» с энергией лазерного импульса до 2 кДж и длительностью 100−300 пс (пс = пикосекунда, в 1 секунде триллион пикосекунд). 20 лет назад, 24 октября 1989 г., был введен в эксплуатацию лазерный комплекс «Искра-5».

Мощный фотодиссоциационный йодный лазер «Искра-5» представляет собой систему с последовательно-параллельным усилением излучения. При подаче на вход канала импульса излучения с энергией ~ 0.4 Дж энергия излучения на выходе достигает 1000−2500 Дж.

Естественно, что проведение экспериментальных работ на мощных лазерных установках для УТС невозможно без изготовления специализированных миниатюрных мишеней. Мишень представляет из себя полость, в которой расположено вещество в стеклянной оболочке. В мишени делается 6 отверстий, через которые и вводятся световые пучки. Разработки и производства таких уникальных мишеней стали возможны в тесном сотрудничестве с ФИАН и технологическим отделением 7 ВНИИЭФ.

Параллельно с развитием лазеров специального назначения и лазерных установок УТС в ИЛФИ разработаны методы и средства измерения параметров лазерного излучения и термоядерной плазмы. Широкий спектр характеристик изучаемых объектов потребовал разработки гаммы уникальных измерительных приборов, обладающих сочетанием предельных для современной техники физического эксперимента временного, спектрального и пространственного разрешения. Ряд разработанных в ИЛФИ регистраторов не имеет мировых аналогов. Значительная часть методик измерения параметров лазерного излучения и диагностики плазмы основана на применении электронно-оптической фотохронографии. В арсенале ИЛФИ имеется аппаратура для регистрации с пространственным разрешением в единицы микрометров и быстродействием менее триллионной доли секунды излучения инфракрасного, видимого рентгеновского и гамма спектра, а также потоков быстрых частиц: электронов, протонов, легких ионов, нейтронов. Уникальные характеристики созданной аппаратуры обуславливают ее успешное применение также на установках и в полигонных экспериментах.

Установки «Искра-5» расположены в специально спроектированном здании, которое одновременно вмещает все технологические системы и коммуникации.

За разработку лазерных установок серии «Искра» пяти сотрудникам ВНИИЭФ была присвоена Государственная премия Российской Федерации 1996 года в области науки и техники.

Кроме того, для проведения различных специфических прикладных исследований, потребовалось и создание серии одноканальных стендов, на которых эксперименты проводятся с использованием излучения одного или двух лазерных каналов. К концу 90-х годов установка была оснащена пятью стендами, на которых проводятся исследования по различным направлениям: вопросы взаимодействия плазмы с магнитным полем, генерации электромагнитных излучений, радиационный перенос энергии, исследование ударной сжимаемости веществ при давлениях свыше 10 Мбар, исследование поглощательной и излучательной способности неравновесной плазмы, процессы турбулентного перемешивания, отработка принципов создания рентгеновского лазера.

Результаты, полученные специалистами ВНИИЭФ, наряду с работами зарубежных коллег показали важное место экспериментов на мощных импульсных установках в исследованиях процессов в веществе при экстремальных условиях. И хотя перспективы ИТС с точки зрения практического использования энергии термоядерного синтеза еще достаточно отдаленные, в настоящее время исследования на мощных лазерных моноимпульсных установках вносят заметный вклад в получение новых знаний в области высоких плотностей энергии, физики плазмы и атомной физики, развития и совершенствования наших знаний и технологий в отдельных чрезвычайно важных технологиях, и очень важно, что результаты экспериментов на установке «Искра-5» позволяют разработать детальную и обоснованную программу прикладных исследований для установки следующего поколения, которую РФЯЦ-ВНИИЭФ в кооперации с ведущими организациями Российской Федерации создает в настоящее время.

По отзывам ведущих специалистов в области лазерной физики, «Искра-5» является уникальной технически совершенной физической установкой с рекордными параметрами и отличается оригинальностью многих систем. По существу, создание установки «Искра-5» явилось крупнейшим достижением отечественной экспериментальной физики 90-х годов, оно потребовало решения ряда сложных научно-технических проблем и явилось результатом напряженного труда целой кооперации научных и производственных организаций страны. Полученные результаты являются итогом работы большого коллектива экспериментаторов, теоретиков и математиков. За разработку методов и проведение экспериментальных исследований горячей и плотной плазмы на лазерной установке «Искра-5» пятнадцати сотрудникам ВНИИЭФ была присвоена премия Правительства Российской Федерации 2001 года в области науки и техники.

Материал предоставлен ИЯРФ РФЯЦ-ВНИИЭФ