От военных исследований к АЭС: будущее инерциального термояда

Технология инерциального управляемого термоядерного синтеза (ИУТС) открывает путь к новому источнику энергии, основанному на точном сжатии и нагреве дейтериево-тритиевой мишени с помощью концентрического облучения лазерными лучами мегаджоульного уровня.

Сама фундаментальная схема ИУТС известна с начала 1970-х годов. Пятьдесят лет научного и технологического прогресса привели к историческому событию в декабре 2022 года: на установке National Ignition Facility (NIF) в США был достигнут энергетический прорыв, когда термоядерная реакция выделила больше энергии, чем было затрачено лазерами на ее инициацию. Это достижение ярко высветило потенциал ИУТС как надежного и безопасного способа производства безуглеродной энергии.

После этого успеха появилось или ускорило свое развитие множество частных инициатив, получающих все большую поддержку со стороны учреждений и инвесторов. Их цель – продемонстрировать практическую осуществимость производства энергии с помощью ИУТС. Несмотря на сохраняющиеся значительные инженерные и промышленные вызовы, некоторые из них являются общими с магнитным удержанием плазмы (МУТС), например, создание бланкета для воспроизводства трития и систем преобразования энергии. Другие же уникальны для ИУТС, такие как производство мишеней и лазерные технологии, которые за последнее десятилетие продемонстрировали колоссальный прогресс в эффективности и надежности.

Парадоксально, но ИУТС долгое время не рассматривался как серьезный конкурент МУТС в национальных и европейских энергетических стратегиях, что во многом объясняется его историческими связями с военными исследованиями. Тем не менее, обе установки масштаба зажигания – NIF в США и Laser Mégajoule (LMJ) во Франции – предоставляют открытый академический доступ. Более того, наиболее подходящим подходом для энергетики на основе инерциального синтеза (IFE) считается схема прямого облучения, при которой лазеры непосредственно воздействуют на мишень, без использования хольраума для преобразования лазерной энергии в рентгеновские лучи, как это делается в конфигурациях с непрямым облучением. Таким образом, подходы с прямым облучением значительно отличаются от военных приложений. Следовательно, хотя мировой опыт в ИУТС существует, его академическая заметность и влияние должны быть усилены. Лаборатория CELIA является одной из немногих крупных академических лабораторий во Франции, а также в Европе, занимающихся физикой IFE.

Лаборатория CELIA (Centre Lasers Intenses et Applications) была создана в 1999 году после принятия решения о строительстве Laser Mégajoule недалеко от Бордо – самого мощного лазера в Европе и второго в мире после NIF. CELIA проводит передовые исследования в области взаимодействия лазерного излучения с веществом в экстремальных условиях. Центральной задачей является оказание мощной научной поддержки академическим исследованиям, проводимым на LMJ. Более 20 лет исследования горячей и плотной плазмы, создаваемой лазером, и физика ИУТС с прямым облучением являются ключевыми направлениями работы лаборатории.

В области ИУТС и смежных тем в CELIA работают более 40 исследователей, включая 25 кандидатов наук и постдокторантов. Учредившие ее организации – CNRS, Университет Бордо и CEA – объединили усилия для создания самой значительной академической команды в Европе, специализирующейся на физике плазмы, связанной с ИУТС. Опубликовано около 300 работ по тематике ИУТС. CELIA выступала в качестве главного исследователя или участника как минимум в одном отобранном эксперименте в рамках каждого из четырех конкурсов на академический доступ к LMJ. Лаборатория совместно разработала многочисленные диагностические системы, которые сейчас развернуты во взаимодействующей камере LMJ, а также разработала стратегии смягчения последствий гигантских электромагнитных импульсов, возникающих при взаимодействии лазера с мишенью, для предотвращения повреждения электронного оборудования диагностики.

Ключевая стратегия для продвижения в сложной физике ИУТС заключается в сочетании передовых кодов моделирования с экспериментальной проверкой на крупных лазерных установках. Для этого в CELIA был разработан CHIC, одно- и двумерный код радиационной гидродинамики, один из немногих доступных в академическом сообществе. Широкий набор его физических модулей охватывает основные аспекты ИУТС: нелинейное распространение лазерного излучения в плазме и лазерно-плазменные неустойчивости, такие как вынужденное рассеяние Рамана и Бриллюэна и двухплазмонный распад, перенос электронов и излучения, реалистичные уравнения состояния, термоядерное горение и самогенерируемые магнитные поля.

Примечательно, что в CHIC реализованы оригинальные математические методы, такие как консервативная лагранжева гидродинамика, трассировка лучей и распространение «толстых» лучей для лучшего моделирования эффектов диссипации, а также нелокальный перенос электронов, который сейчас принят в других ведущих кодах ИУТС. CELIA одной из первых подтвердила состоятельность схемы «ударного поджига», при которой фазы сжатия и нагрева разделяются путем формирования лазерного импульса. Эта работа, выполненная в сотрудничестве с Laboratory for Laser Energetics (LLE, Рочестер, США), получила международное признание в виде премии Ландау-Спитцера за выдающийся вклад в физику плазмы, присуждаемой совместно Американским и Европейским физическими обществами.

Другие значительные вклады включают исследования роли горячих электронов в лазерно-плазменных неустойчивостях (LPI) и влияния сильной намагниченности на плазму ИУТС. Код был валидирован в ходе экспериментальных кампаний, проводимых CELIA на крупных установках, таких как NIF, LMJ-PETAL, Omega, Vulcan, PALS и Gekko XII, с привлечением международных коллабораций и использованием надежных экспериментальных баз данных.

Область исследований достигла достаточной зрелости для проектирования и оптимизации схем взаимодействия лазера с мишенью, которые максимизируют выход энергии. Это недавно было продемонстрировано с использованием генеративного искусственного интеллекта (ИИ) для оптимизации формы лазерного импульса с целью повышения коэффициента усиления. CHIC генерирует наборы данных, на которых обучаются модели генеративного ИИ для определения оптимальных профилей мощности лазера. Затем эти профили тестируются с помощью симуляций CHIC. Такой подход экономит вычислительное время и эффективно сходится к сокращенному набору перспективных конструкций, которые будут проверены в предстоящих экспериментах.

В конечном счете, для реалистичного учета геометрии облучения, неоднородностей мишени и разработки надежных стратегий смягчения требуются трехмерные (3D) симуляции. Тем не менее, значения чистого усиления обычно ниже, чем предсказывают одномерные модели. В сотрудничестве с LLE, CELIA провела симуляции с использованием 3D кода радиационной гидродинамики, сопряженного с моделью на основе трассировки лучей, включающей перекрестный перенос энергии между перекрывающимися лазерными лучами (CBET). Эти симуляции были валидированы по данным экспериментов с прямым облучением на установке Omega и экспериментов с полярным прямым облучением (PDD) на NIF. В настоящее время CELIA разрабатывает собственный 3D код радиационной гидродинамики на основе новых численных подходов.

CELIA естественным образом стала партнером стартапа GenF, целью которого является разработка промышленной электростанции на основе ИУТС, предлагающей конкурентоспособную альтернативу ядерной энергетике следующего поколения к 2050 году. GenF частично финансируется государственным инвестиционным банком Франции (BPI) в рамках инициативы «Инновационный ядерный реактор». Первая фаза проекта включает определение конструкции реактора, инженерной стратегии и промышленной дорожной карты. В консорциум входят Thales, CEA, CELIA и LULI. Помимо своего опыта в ИУТС, CELIA вносит вклад своими ноу-хау в области лазерных технологий высокой средней мощности. Достижение экономически жизнеспособного производства энергии ИУТС требует лазерных систем, работающих с частотой повторения 10 Гц. Это necessitates эффективное активное охлаждение для высокоэнергетических усилителей – область, в которой CELIA обладает запатентованными инновациями. Эти достижения применимы как к существующим проверенным лазерным системам, так и к будущим разработкам. CELIA также исследует передовые подходы в накачке лазеров и входных генераторах, направленные на повышение экономической эффективности и совместимость со смягчением LPI. Хотя это не всегда применимо к текущим архитектурам, основанным на цепочках поставок, эти перспективные исследования жизненно важны для будущих систем ИУТС.

Перед технологией инерциального синтеза стоит множество научных и технологических вызовов, подробное рассмотрение которых выходит за рамки данного обзора. На прагматическом уровне необходимо увеличение числа квалифицированных специалистов в области ИУТС и смежных областях не только для наращивания исследовательского потенциала, но и для подготовки следующего поколения аспирантов, постдокторантов и инженеров. Исследовательские институты должны взять на себя ведущую роль в этих усилиях.

На более широком уровне решающее значение имеют государственно-частные партнерства. Важным шагом на пути к созданию жизнеспособной промышленной электростанции является строительство промежуточной установки с энергией в несколько сотен килоджоулей, позволяющей проверить перспективные конструкции мишеней и инновационные технологические решения, необходимые для строительства электростанции. Ни NIF, ни LMJ не подходят для испытаний по схеме прямого облучения из-за геометрии их лучей, и хотя установка Omega продемонстрировала впечатляющий прогресс в прямом облучении, ее мощность в 30 кДж значительно ниже условий зажигания.

Промышленные проекты в области ИУТС являются многообещающими инициаторами, особенно с четкой целью на 2050 год, но национальная и европейская поддержка будет жизненно важна. Вероятно, будет создано европейское институциональное партнерство для решения этой долгосрочной энергетической задачи.