Из «Искры» разгорится пламя: советские установки для изучения управляемого термоядерного синтеза

Появление лазера дало ученым уникальный инструмент для исследования окружающего мира и свойств материи. Физика высоких энергий помогает исследователям заглядывать вглубь звезд, исследовать просторы Вселенной, изучать поведение веществ в экстремальных условиях и разрабатывать новые источники энергии.

Первый лазер на рубине был построен в 1961 году, а уже в 1962 по предложению академика Сахарова начались работы по созданию сверхмощных лазерных установок. Так началась история российских лазеров высоких энергий и резонансных в научных кругах физических исследований.

Установка «Искра-4»

В качестве источника излучения на установке «Искра-4» используется фотодиссоционный йодный лазер. Несмотря на КПД 0,5%, он обладает рядом преимуществ:

• однородная прокачка больших объемов активного вещества;
• высокая оптическая однородность активной среды;
• высокая лучевая стойкость активной среды.

Эти достоинства позволили создать к 1979 году одноканальную установку мощностью 10 ТВт. После успешного физического пуска состоялись первые эксперименты по получению управляемой термоядерной реакции.

И, как водится при планировании сверхсложных экспериментов, многое сразу пошло не так: возникли трудности с настройкой видеозаписи, ушел вакуум из камеры с мишенью, оказался плохо отъюстирован лазер, по которому выставлялась мишень. Но в итоге все проблемы были решены, и 28 марта 1980 года «Искра-4» впервые облучила дейтерий-тритиевую мишень.

В ходе эксперимента выявились новые недочеты: отраженное от мишени излучение повредило зеркало и рассеянным излучением сожгло матрицу телекамеры. Доводка установки продолжалась еще год, в течение которого провели больше полутора сотен больших и малых экспериментов.

8 апреля состоялся новый запуск, в ходе которого были получены первые в СССР термоядерные нейтроны — более 2 миллионов за импульс.

Для дальнейших исследований лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) требовалось увеличение мощности излучения, и ученые приступили к созданию новой установки — «Искра-5»

Установка «Искра-5»

«Искра-4» была одноканальной установкой, и для дальнейшего увеличения мощности излучения исследователи решили пойти по пути увеличения количества каналов. К 1989 году была разработана и введена в эксплуатацию «Искра-5» — 12-канальная установка с последовательно-параллельным усилением излучения.

При энергии импульса в одном канале 0,4 Дж на выходе достигалась энергия излучения 2500 Дж. Длительность импульса составляла 350 пс, а мощность — 100 ТВт.

Помимо основной 12-канальной камеры для дальнейшего исследования воздействия излучения высокой мощности на дейтерий-тритиевую мишень, «Искра-5» оснащена дополнительными одноканальными стендами для прикладных исследований.

На установке изучается:

• взаимодействие плазмы с магнитным полем;
• ударная сжимаемость веществ;
• генерация плазмой дейтерий-тритиевых и дейтерий-дейтериевых нейтронов;
• получение рентгеновского излучения;
• получение горячей плазмы;
• и другие вопросы физики высоких энергий.

Другие российские установки высокой мощности

Установки серии «Искра» оставили яркий след в истории науки, но для дальнейшего прогресса в исследованиях физики высоких энергий необходимо дальнейшее увеличение мощности излучения, энергии импульса, сокращение длительности импульса.

На смену «Искрам» приходят комплексы типа четырехканальной установки «Луч» с энергией 3,3 кДж на канал, комплексы с петаваттной энергией и фемтосекундной длительностью импульса типа «Pearl» и «Фемта». Разрабатывается проект уровня мегасайенс «XCELS», на котором планируется достичь субэкзаваттного уровня мощности.

Ни один материал не способен выдержать такие напряженности электромагнитного поля. Поэтому в сверхмощных лазерах используются каскады усиления, позволяющие концентрировать энергию непосредственно на мишени.

О том, с какими сложностями сталкиваются конструкторы при проектировании лазеров высокой мощности, мы поговорим в одной из следующих статей.