В Нижегородской области «зажгут» управляемый термояд

В Российском Федеральном ядерном центре ВНИИ экспериментальной физики закончили сборку камеры взаимодействия самой мощной лазерной установки в мире. Она предназначена для фундаментальных исследований в области физики высоких плотностей энергии. Установку можно использовать для разработки энергии будущего.

Камера установлена. Впереди – эксперименты

В основное здание, где планируется производить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу, была перенесена камера взаимодействия. Самый мощный лазер – результат сотрудничества академической и отраслевой науки. Камера – это центральный элемент установки, сфера диаметром 10 метров и весом около 120 тонн, в которой должно происходить взаимодействие лазерной энергии с мишенью.

При таких габаритах транспортировка гигантского устройства является практически невозможной технической операцией, поэтому её изготовление проводилось непосредственно рядом с местом строительства одновременно с возведением здания под лазерную установку.

Чуть больше года понадобилось специалистам ВНИИЭФ, чтобы с использованием уникальной технологии сварки произвести монтаж сферы и её раскрой под контролем прецизионного геодезического оборудования 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 произведённых операций говорят такие цифры: максимальное отличие формы камеры от сферы составляет менее 5 мм, а оси всех портов имеют отклонение от её центра менее 1 мм.

Операция переноса камеры взаимодействия заняла около месяца и включала большое количество специальных мероприятий, в том числе разборку крыш основного и вспомогательного зданий.

Для транспортировки огромной сферы потребовался специальный грузоподъёмный кран. Высота здания для лазерной установки составляет 32 метра – как десятиэтажный дом. Площадь, которую займёт установка, сопоставима по размерам с двумя футбольными полями.

Саровская установка для лазерного синтеза станет рекордсменом среди введённых и планируемых к строительству лазерных систем. Так, к мишени будет подводиться импульсной энергии в полтора раза больше, чем у самой мощной из действующих на сегодняшний день лазерных установок – NIF, расположенной в калифорнийской национальной лаборатории Ливермор (США).

«До сих пор никто в мире не смог зажечь в лаборатории термоядерную мишень. Основная проблема в том, что маленькое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей. Поэтому оболочка должна двигаться сферически симметрично, отклонения от сферического сжатия недопустимы. Эксперименты, которые были проведены на установке NIF, показали, что используемая там система облучения не может обеспечить необходимую однородность облучения центральной капсулы. Наша система облучения иная, она уже практически сферически симметрична. Имея предыдущий опыт экспериментов, у нас есть все шансы добиться желаемого («зажигания» термоядерных реакций в мишенях) первыми в мире», – подчеркнул директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ, академик РАН Сергей Гаранин.

ИПФ РАН на пути к магасайенсу

Успех саровских учёных разделяют их коллеги из нижегородского Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН). Специалисты этого академического института разработали для установки несколько важных приборов.

– Мы сотрудничаем с ВНИИЭФ в этом проекте по четырём направлениям, – рассказал руководитель отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН член-корреспондент РАН Ефим Хазанов. – Первое связано с выращиванием широкоапертурных кристаллов размером до 60 см для удвоения частоты. Это уникальная для нашей страны технология.
Технология выращивания широкоапертурных кристаллов в институте развивается уже несколько десятков лет.

Второе направление – так называемые ячейки Поккельса с плазменными электродами.

«В них используются такие же кристаллы, которые нам также надо было вырастить», – пояснил наш собеседник. – «Во-вторых, сама технология создания конденсатора, в котором вместо металлических обкладок, не пропускающих лучи, используется прозрачные для света плазменные электроды, уникальна».

Третье направление сотрудничества – создание волоконных генераторов и их усилителей. Эти маломощные системы, на много порядков слабее той, что смонтирована в Сарове.
Последнее не по значимости, а по порядку направление взаимодействия связано с электроникой. В ИПФ РАН разработаны и изготовлены модули управления зарядными блоками лазерной установки. Это устройства, которые управляют процессом перехода энергии, накопленной в конденсаторах, в энергию светового луча.

«Всё это – продолжение предыдущих совместных работ, которые Институт прикладной физики РАН проводил вместе с коллегами из Сарова», – уточнил Ефим Хазанов. – «В то же время для нас участие в создании «УФЛ-2М» связано с другим проектом ИПФ РАН, включённым Правительством РФ в число шести проектов класса мегасайенс для реализации в нашей стране. Это проект Центра исследования экстремальных световых полей XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies). Лазерный комплекс XCELS будет иметь пиковую мощность излучения 0,2 ЭВт (200 ПВт). Такой уровень мощности излучения более чем на два порядка превышает сегодняшний мировой рекорд. Две установки создаются для решения различных задач. Саровская – для экспериментов в области управляемого термоядерного синтеза, а XCELS – для более фундаментальных задач, изучения поведения вещества и даже вакуума в сверхсильных полях».

На сегодняшний день проработана программа экспериментов на «УФЛ-2М», и после вывода модулей установки в штатный режим будут проведены первые эксперименты по облучению мишеней.

В конце 2019 года будет проведён запуск систем первого модуля установки «УФЛ-2М». Ввод в эксплуатацию первой очереди лазерной установки запланирован на 2022 год.