Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР. Для меня это звучит как музыка, которая радует душу даже спустя много лет. Впервые я прошел через фиановскую проходную 53 года назад и сразу же попал в атмосферу передовой науки, которую творили люди, чьи имена я прежде видел лишь на обложках учебников и в телевизионных новостях.
За время моей работы в этом храме науки я встречался с пятью нобелевским лауреатами. Встречи были разными — от детальных обсуждений экспериментов с Н. Г. Басовым, научных семинаров и общеинститутских собраний, где слышал, как А. М. Прохоров, П. А. Черенков, А. Д. Сахаров и В. Л. Гинзбург откликались на злобу дня, до неожиданных встреч с кем-нибудь в коридорах главного здания или во дворе ФИАНа. Вне ФИАНа за всю свою жизнь мне удалось встретить лицом к лицу лишь еще четырех нобелевских лауреатов — Капицу, Бломбергена, Пензиаса и Моуру.
ФИАН был силен не только своими лауреатами, но и многочисленными лидерами в каждой из лабораторий. Туда как в Мекку на знаменитые семинары (самым известным из которых был семинар Гинзбурга) устремлялись ученые со всей страны и нередко зарубежные физики.
В своих рассказах1 я не претендую на какие-либо исторические обобщения, просто с большим удовольствием пишу о людях, мне симпатичных, добрых и честных, с которыми мне посчастливилось работать двадцать с лишним лет, пройдя путь от молодого стажера-исследователя до старшего научного сотрудника, руководителя группы. Рассказывая о них, я заново погружаюсь в атмосферу молодого оптимизма, что, согласитесь, весьма приятное чувство.
Развитие физики в XX веке потребовало значительных материальных вложений. Большая наука стала невозможна без крупнейших экспериментальных установок. Я не устаю восхищаться достижениями теоретиков, которым для работы нужен лишь письменный стол, однако проверить теоретические выводы можно лишь с помощью дорогостоящих установок. И чем больше физика требовала передовой техники, тем сложнее становилось ФИАНу соревноваться с зарубежными конкурентами. Одним из таких направлений в 1960–1970-е годы стало исследование лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). В ФИАНе работали два нобелевских лауреата, награжденных за изобретение лазеров. Правительство страны ожидало от них прорывных разработок в области мощных лазеров, в частности, и такого перспективного направления исследований, как лазерное термоядерное зажигание, — и лаборатории колебаний (Прохоров) и квантовой радиофизики (Басов) получали на это щедрое финансирование.
Мне как активному участнику тех событий хочется представить свой личный взгляд на происходившее в 1960–1980-х годах, дополнив тем самым уже опубликованные исторические обзоры 2. Мои товарищи и коллеги, напряженно трудившиеся в лаборатории, заслуживают того, чтобы о них вспомнили.
Ни в коей мере не умаляю достижений зарубежных лабораторий (в первую очередь Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL). Тем более не ставлю под сомнение полученные ими результаты. В 1990-х я сам участвовал в разработке методов исследования лазерной плазмы и тестировании прототипов будущего лазера NIF в LLNL — наиболее значимого достижения физического порогового выхода термоядерной энергии, когда ее величина превзошла энергию, доставленную для зажигания реакции ядерного синтеза. Впервые это произошло 5 декабря 2022 года на самой мощной в мире многоканальной лазерной установке NIF. При введенной лазерной энергии 2,05 МДж термоядерный выход составил 3,15 МДж (этой энергии хватило бы вскипятить около литра воды). Возможность лабораторного зажигания термоядерной мишени была таким образом доказана. Однако я сосредоточусь сейчас всё же на времени становления в ФИАНе экспериментальных работ по применению лазеров и на проблеме управляемого (неразрушающего) термоядерного синтеза.
С чего начинался ЛТС (1960–1970)
В отличие от магнитного удержания горячей плазмы малой плотности (в «токамаках»), в ЛТС используется плазма с плотностью выше плотности твердого тела. Короткие импульсы мощных лазеров направляются со всех сторон на сферические мишени, содержащие дейтерий-тритиевое топливо. Поверхность мишеней быстро разогревается и вспухает под действием теплового давления в миллионы атмосфер. На неиспаренную часть сферической мишени действует реактивное давление, направленное к ее центру, — происходит ее обжатие до высоких плотностей и при достижении волной сжатия центра температура там резко возрастает до термоядерных значений. Происходит «зажигание» Д-Т топлива, и дальше продукты реакции синтеза, распространяясь наружу, инициируют последующие реакции. Среди синтезированных продуктов встречаются нейтроны, альфа-частицы, протоны и наработанный тритий. Регистрируя эти частицы, можно вычислить эффективность всего процесса (в будущем энергия этих частиц будет преобразовываться в полезные виды энергии — этакий двигатель внутреннего термоядерного сгорания).
Принципы создания самих лазеров были заложены в работах 1954–1955 годов, отмеченных Нобелевской премией 1964 года, которая была присуждена Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу. Первый лабораторный лазер на кристалле рубина заработал в 1960 году в исследовательских лабораториях Хьюза в Калифорнии. Обладая высокой мощностью в коротких импульсах, изобретение Теодора Меймана представляло собой идеальный инициирующий инструмент для воздействия на вещество.
Начиная с 1962 года директор Ливерморской лаборатории Джон Фостер и Эдвард Теллер начали небольшое исследование применимости лазера для создания высокотемпературной плазмы. В течение следующего десятилетия LLNL производила относительно простые экспериментальные устройства для фундаментальных исследований взаимодействия лазера и плазмы.
В СССР идея лазерного синтеза родилась в 1961 году у будущего нобелевского лауреата Николая Басова и впервые была публично высказана им на заседании Президиума Академии наук СССР в 1961 году, а через три года была им теоретически обоснована 3. Работы в ФИАНе по тематике ЛТС к тому времени уже были начаты, в фиановском дворе было построено небольшое двухэтажное здание — «Павильон» — специально для экспериментов по взаимодействию лазеров с веществом.
Потребовалось четыре года напряженной работы, и 18 апреля 1968 года на уникальной установке, созданной в нашем институте, были зарегистрированы первые в мире лазерные термоядерные нейтроны 4. Крюков так вспоминает день регистрации первых нейтронов: «К середине 1967 года, несмотря на все трудности, ~ 20 пс импульс удалось усилить до энергии в 20 Дж. Это был на то время самый мощный лазер в мире. Не скрывал нетерпения Н. Г. Басов; он приходил почти каждую неделю, часто с иностранными гостями. Но нейтронов не было. Наконец, в 1968-м — успех с новыми мишенями из LiD» 5. Общее число зарегистрированных за вспышку нейтронов не превышало 102. Результаты экспериментов по регистрации нейтронов из лазерной плазмы были немедленно доложены на 5-й Международной конференции по квантовой электронике в Майами (США). Они также докладывались на IEEE Conference on Laser Engineering and Applications (Washington, D.C., USA, May 26–28, 1969).
После успеха группы П. Крюкова с регистрацией DD-нейтронов в ФИАНе развернулось соревнование (прежде всего между группами из лабораторий Н. Г. Басова и А. М. Прохорова 6) по строительству еще более мощных лазеров. Причем соревнование это было абсолютно дружеским с взаимным посещением строящихся установок и обсуждением проектов. И все вместе пристально следили за результатами иностранных лазерных центров.
В середине 1960-х годов в LLNL был разработан 12-лучевой «4π-лазер», использовавший рубин в качестве лазерной среды. Он включал в себя газонаполненную мишенную камеру диаметром около 20 см и систему фокусировки лазерных лучей на сферическую мишень. Это действительно были первые эксперименты по сферическому облучению мишени многоканальной лазерной установкой. К сожалению, об этих экспериментах стало известно значительно позже, так как в свое время они были засекречены. Результаты экспериментов на «4π-лазере» оказались неуспешными из-за специфики усиления лазерного импульса в рубиновом активном элементе, приводящей к высокой расходимости пучка и — как следствие — к плохой его фокусировке. Неудача охладила интерес руководителей LLNL к проблеме ЛТС и прекратила (на время) финансирование. В 1969 году появилась публикация группы исследователей из Sandia Laboratories (США), которая повторила эксперименты Крюкова и полностью подтвердила результаты ФИАНа по генерации нейтронов из лазерной плазмы. В 1970 году появилась аналогичная публикация французской группы, наблюдавшей нейтроны при облучении мишени из дейтериевого льда наносекундными импульсами неодимового лазера.
Бурное развитие (1970–1980)
В LLNL первый лазер на стекле с неодимом для исследований ЛТС был завершен лишь в 1972 году, когда в лабораторию были приглашены известные лидеры лазерной техники Джон Эммет и Билл Крупке, которые до этого отвечали за передовые лазерные исследования в Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) и Hughes Aircraft соответственно. Началась эра всё более крупных и энергичных твердотельных лазеров в LLNL.
Совершенно определенно пауза в экспериментах LLNL с лазерами для ЛТС оказалась на руку фиановцам и они не преминули воспользоваться предоставленной возможностью. В 1970 году (начало моей работы в ФИАНе) в лаборатории квантовой радиофизики (КРФ), в группе Г. В. Склизкова в том же «Павильоне» КРФ, но на втором этаже (лазер П. Крюкова находился на первом этаже) был построен наносекундный неодимовый лазер с энергией в импульсе 15 Дж. Основными участниками экспериментов с плоскими мишенями из СД2 были Владимир Бойко, Сергей Захаров и Владимир Грибков, им помогали студенты-дипломники из Физтеха Ефим Аглицкий и Валерий Никулин. Удалось довольно быстро добиться генерации ДД-нейтронов и опубликовать результаты в журнале «Письма в ЖЭТФ»7.
В начале 1970 года в здании лаборатории КРФ, в группе Г. В. Склизкова была запущена уникальная для того времени девятиканальная лазерная установка для сферического облучения дейтерированных мишеней (позже эта установка с модернизированными элементами получила название «Кальмар»). Огромный вклад в создание этой установки внес исключительно талантливый и изобретательный молодой инженер-физик Сергей Федотов. Без инженерного таланта Сергея не было бы ни «Кальмара», ни тем более значительно более мощной лазерной установки «Дельфин», либо всё было бы гораздо слабее. При этом он сам чертил комплекты чертежей, не доверяя конструкторам наиболее ответственные узлы установки. Как-то на семинаре КРФ Сергей сообщил, что добился 30 Дж в наносекундном импульсе при расходимости пучка 10–4 рад. Это заявление вызвало бурную дискуссию, в результате которой Сергей просто пригласил всех желающих принять вечером участие в живой демонстрации. В тот же вечер, когда почти все сотрудники, закончив работу, разъехались по домам, Сергей произвел выстрел в коридор и зеркалом направил его мимо закрытых дверей на расстояние около 40 м. Затем он позвал всех оппонентов и представил фотографические пластинки с отпечатками лазерного пучка, полученные у выхода из лазера и на расстоянии 40 м — прямо на двери механической мастерской на втором этаже корпуса КРФ. Больше вопросов о достоверности измерений ни у кого не возникало.
Короче говоря, в нашей группе подобрались на редкость умелые сотрудники, начиная с ее руководителя Глеба Склизкова, носителя уникального опыта сложнейшего по техническому обеспечению и научной насыщенности эксперимента со своей предыдущей работы в атомном КБ-11 (г. Саров).
Уже летом 1971 года (как раз к защите диплома Юрия Михайлова в Физтехе) на сферических мишенях из СД2 были получены нейтроны в количестве 104–105 при энергии лазера до 150 Дж в импульсе 1 нс 8. А в 1974 году наряду с DD-нейтронами 2,45 МэВ были зарегистрированы нейтроны 14,1 МэВ, рожденные во вторичной реакции синтеза между дейтерием мишени и наработанным в первичной DD-реакции тритием. По результатам этих экспериментов была предложена новая диагностическая методика определения степени сжатия вещества мишени 9, оценка которой составила С ~ 30–50, означающая, что были достигнуты плотности вещества мишени, во много раз превосходившие плотность твердого тела (это было первым измерением степени сжатия, принципиального параметра в ЛТС).
С 1975 по 1980 год экспериментальные работы по ЛТС в ФИАНе сконцентрировались на интенсивно эксплуатируемой установке «Кальмар» и разработке и строительстве более мощной многоканальной лазерной системы «Дельфин», для которой был специально построен просторный вибростойкий оптический зал (в отличие от «Кальмара», разместившегося в трех соединенных отверстиями в стенах лабораторных комнатах на втором этаже лабораторного корпуса КРФ, вследствие чего перед каждым выстрелом Алексей Ерохин высовывался в окно и проверял, не приближается ли трамвай по улице Вавилова, что проходила в 40 м от корпуса).
За этот период было проведено множество экспериментов со сферическими мишенями, включая стеклянные и полистирольные микрооболочки, виртуозно изготовлявшиеся в мишенной группе Ю. А. Меркульева (там же быстро научились наполнять оболочки диаметром 100–150 мкм и толщиной стенки 1–2 мкм сжатым дейтерием под давлением до 40 атм, а позже Еленой Корешевой-Рычковой была освоена и криогенная технология для сжижения дейтерия). Результаты экспериментов быстро публиковались в ведущих физических журналах и докладывались на международных конференциях. В этот период в группе А. С. Шиканова (принявшего на себя координирование проводимых на «Кальмаре» экспериментов) было защищено четыре кандидатские диссертации (А. Шиканов, А. Рупасов, Ю. Захаренков, Н. Зорев). В 1978 году группа была признана победителем конкурса на лучшую группу ФИАНа. До нас доходили сплетни, что наши друзья-конкуренты в Курчатовском институте, в Ленинградском ГОИ и в Саровском атомном центре называли нас «камнеломами», первыми пробивавшими препятствия на пути к ЛТС.
В те годы наши успехи быстро достигали научных лабораторий как внутри СССР, так и за его пределами. Мы принимали и показывали нашу установку большим ученым и делегациям практически из всех известных лазерных центров мира, включая ученых из Ливермора, особенно придирчиво разглядывавших все мельчайшие детали. Запомнился визит Чарлза Таунса, рассматривавшего оптический зал «Дельфина» с кассетами лазерных усилителей (6 кассет по 18 лазерных пучков в каждой).
Приходил к нам на установку «Кальмар» и Я. Б. Зельдович, который, стоя рядом с вакуумной камерой (и мной в двух шагах сзади), говорил Н. Г. Басову: «Вы же знаете, что стрелять надо в оболочки». Мы, конечно, знали это, да вот слово «оболочка» не пропускалось Госатомом, запрещавшим публикацию деталей термоядерных экспериментов. По каждой статье устраивалась затяжная переписка с указанием уже существующих публикаций по конкретной теме, и это всё надо было проходить еще до отправки на разрешение Главлита. Не удивительно, что статьи иногда месяцами задерживались на столах чиновников.
Интересовались нашими успехами и наша направляющая партия и правительство. Однажды к нам на «Кальмар» пришел член Политбюро, первый секретарь Московского горкома В. В. Гришин. Мы с Лёшей Ерохиным надели чистые белые халаты и встали плечом к плечу, закрывая нашими хилыми торсами неприглядный рукомойник, потемневший от сливаемой в него чайной заварки. А тов. Гришин прямо к нам быстрой походкой, протягивает руку для пожатия и говорит: «Я — Гришин!»
В бой идут тяжеловесы
В ноябре 1977 года в LLNL было завершено строительство 20-лучевого лазера Shiva стоимостью 25 млн долл. Размером с футбольное поле, будучи самым мощным лазером в мире на тот момент, он произвел более 10 кДж энергии за 1 нс. В июне 1979 года Shiva сжал термоядерное топливо до плотности, в 50–100 раз превышающей плотность жидкости. Shiva являлся первым из «мегалазеров» в LLNL, который полностью перенес область исследований ЛТС в сферу Большой науки.
С 1983 года начинается мировое доминирование LLNL в экспериментах по ЛТС. Первой заявила о себе установка Novette, которая представляла собой двухлучевой лазер с неодимовым стеклом. В июле 1984 года Novette был использован для создания в лазерной плазме первого в лаборатории лазера мягкого рентгеновского излучения. Затем в декабре 1984 года вступила в строй установка Novа. В десять раз мощнее Shiva, она стала самым мощным в мире лазером на тот момент. Ее десять лучей производили лазерные импульсы, которые могли обеспечить мощность инфракрасного лазера до 100 трлн Вт за миллиардную долю секунды.
В ФИАНе в 1982 году было в основном закончено строительство многоканального лазера «Дельфин» и проведены первые эксперименты на уровне 1–2 кДж в наносекундном импульсе 11. Это была первая очередь установки, которая имела лишь половину из запланированных каналов (6 составных лазерных пучков из 12). К тому времени уже было ясно, что даже при завершении второй очереди установки и доведении ее до проектной мощности в 10 кДж она не сможет достичь физического порога зажигания термоядерного топлива. Численные расчеты показывали, что порог может быть достигнут на лазерах с энергией свыше 100 кДж, где-то в районе 1 МДж.
Заведующий лабораторией Глеб Склизков держал у себя на столе большую коробку на 500 спичек (тогда такие продавали наряду с обычными на 100 спичек) и, рассказывая посетителю о величине необходимой лазерной энергии, протягивал спичечную коробку и говорил: «Вот в этой коробке находится один мегаджоуль». Обычно это производило эффект, за исключением посетителей-военных («Мой пистолет Макарова громче стреляет»).
Тогда же было принято решение остановить эксперименты на установке «Кальмар», а группу Шиканова (защитившего докторскую диссертацию) преобразовать в лабораторию «Диагностика плазмы». 1983 год прошел в основном в наращивании диагностического комплекса на установке «Дельфин» и в доведении параметров лазера до плановых величин. Известия о работах на установке Novette (LLNL) и Omega в Рочестерском университете, конечно же, означали, что ФИАН теряет свою лидирующую роль в экспериментальном исследовании ЛТС. Ввод в действие установки Novа (LLNL) в 1984 году практически перевел направление работ на «Дельфине» в область частных проблем лазерно-оптической технологии и разработки новых методов и средств диагностики лазерной (и другой плотной) плазмы (результаты были опубликованы в книге 1989 года «Диагностика плотной плазмы»).
В заключение
Приведу перечень основных достижений фиановского отдела ЛТС в 1960–1980-х годах. Они были классифицированы ведущими теоретиками нашего отдела В. Б. Розановым и С. Ю. Гуськовым, постоянно участвовавшими в определении направлений экспериментального исследования на установках «Кальмар» и «Дельфин».
В 1970-х годах эксперименты с оболочечными мишенями развивались в двух направлениях. В СССР на установке «Кальмар» (ФИАН) изучался низкоэнтропийный режим сжатия при воздействии на мишень лазерного импульса с умеренными плотностями потоков энергии излучения 1014 Вт/см2, так называемый режим «сжимающейся оболочки».
В экспериментах на установке «Кальмар» в 1974–1976 годах были достигнуты тысячекратные объемные сжатия оболочечных мишеней до плотностей дейтериевой плазмы 6–10 г/см3
при температуре 0,3–0,5 кэВ. Нейтронный выход реакции дейтерий + дейтерий в этих экспериментах составил 105–106 частиц за вспышку.
Получен ряд фундаментальных результатов, доказывающих принципиальную возможность осуществления управляемой термоядерной реакции при лазерном инициировании. Это прежде всего:
- высокая эффективность поглощения (более 50%) лазерного излучения в сферических мишенях в диапазоне плотностей потока энергии лазерного излучения ~ 1013–1015 Вт/см2, наиболее важном для практических целей (эксперименты на установках «Кальмар» (ФИАН), «Дельфин» (ФИАН), Janus, Argus, Shiva, Novette, Gekko 12 (Japan), Vulcan (UK) и др.);
- ускорение сжимаемой части мишени до скоростей, превышающих 200 км/с (эксперименты на установках «Дельфин», Omega Рочестерского университета);
- устойчивое сжатие при прямом лазерном облучении тонких оболочечных мишеней с аспектным отношением до 100 (эксперименты на установках «Кальмар», «Дельфин», Vulcan)…
Более трудной оказалась задача обеспечения высокой однородности вклада лазерной энергии в мишень. Основной путь здесь — создание многоканальных лазерных установок для симметричного облучения мишени большим количеством лазерных пучков, начавшийся с экспериментов на установке «Кальмар» (ФИАН).
Гуськов С. Ю., Розанов В. Б. Лазерный «ключ» к термоядерной энергии.— М.: Знание, 1986
На этом я закончу свой экскурс в прошлое — в увлекательное время поиска решений проблемы ЛТС. Уже теперь, спустя 40 лет со дня, запечатленного на этой фотографии, когда слишком многих коллег нет среди живых, я рассматриваю их лица, вспоминаю наши долгие будни подготовки эксперимента и радостные моменты удачи. Предлагаю и вам взглянуть на этих обычных людей, которые, пусть на короткий срок, своим напряженным трудом вывели фиановскую науку в мировые лидеры.
Юрий Захаренков
1 См. trv-science.ru/tag/yurij-zaxarenkov/
2 См., напр.: Крохин О. Н. К 50-летию создания лазера // УФН, 2010, т. 181, № 1, с. 3.
3 Басов Н. Г., Крохин О. Н. Условия нагрева плазмы излучением оптического генератора // ЖЭТФ, 1964, т. 46. с. 171–175.
4 Басов Н. Г., Захаров С. Д., Крюков П. Г., Сенатский Ю. В., Чекалин С. В. Эксперименты по наблюдению нейтронов при фокусировке мощного лазерного излучения на поверхности дейтерида лития // Препринт ФИАН № 63.1968; Письма в ЖЭТФ.1968. Т. 8. с. 26.
5 Захаров С. Д., Крюков П. Г., Сенатский Ю. В., Чекалин С. В. Первые эксперименты по наблюдению нейтронов из лазерной плазмы. «Как это было…» Часть 3. Лазерная ассоциация. — М., 2011.
6 Aver’yanov K. P., Avilov Yu. S., Aleksandrov V. V., et al. UMI-35 laser device for the researches in the controlled thermonuclear fusion // in Proceedings of the XII ECLIM (Moscow, 1978), p. 20.
7 Басов Н. Г., Бойко В. А., Захаров С. M., Крохин О. Н., Склизков Г. В. Генерация нейтронов в лазерной СД2 плазме, нагреваемой импульсами наносекундной длительности // Письма в ЖЭТФ, т. 13, с. 489 (1971).
8 Басов Н. Г., Крохин О. Н., Михайлов Ю. А., Склизков Г. В., Федотов С. И., Шиканов А. С. // ЖЭТФ, 62, с. 203, 1972; Basov N. G., Gamaly E. G., Krokhin O. N., Mikhailov Yu. A., Sklizkov G. V., and Fedotov S. I. Laser Interaction and Related Plasma phenomena 3, Plenum Press, New York, 1974.
9 Басов Н. Г., Захаренков Ю. А., Крохин О. Н., Михайлов Ю. А., Склизков Г. В., Федотов С. И. //
Квантовая элекроника, 4, с. 1154, 1975.
10 Захаренков Ю. А., Зорев Н. Н., Крохин О. Н., Михайлов Ю. А., Рупасов А. А., Склизков Г. В., Шиканов А. С. // ЖЭТФ, 70, с. 547 (1976).
11 Basov N. G., Danilov A. E., Kruglov B. V., et al. Launch of the Dolphin-1 laser thermonuclear installation // Kvant. Elektron. 9 (2), 395–398 (1982).
ИСТОЧНИК: Троицкий вариант https://www.trv-science.ru/2023/12/o-fiane-zamolvlyu-slovo/