Wired: Россия строит самую мощную в мире лазерную установку

В закрытом городе Саров, примерно в 350 километрах к востоку от Москвы, ученые работают над проектом, который поможет сохранить боеготовность российского ядерного оружия в долгосрочной перспективе. На огромном объекте высотой в десятиэтажный дом и размером с два футбольных поля они разрабатывают лазерную установку, официально известную под названием УФЛ-2М или, как ее окрестили российские СМИ, "царь-лазер". Если проект будет завершен, он станет самым мощным лазером в мире.

Высокомощные лазеры могут концертировать энергию на группы атомов, повышая температуру и давление для начала ядерной реакции. Ученые могут использовать их для моделирования того, что происходит при детонации ядерной боеголовки. Создавая взрывы в небольших образцах материала — либо в исследовательских образцах, либо в крошечных количествах из существующего ядерного оружия, — они могут затем рассчитать, как будет действовать полноценная бомба. В случае со старой боеголовкой, можно проверить, что она все еще работает так, как задумано. Лазерные эксперименты позволяют проводить испытания без подрыва ядерной бомбы. "Это значительные инвестиции русских в свое ядерное оружие", — говорит Джеффри Льюис, исследователь в области нераспространения ядерного оружия из Миддлберийского института международных исследований в Калифорнии.

До сих пор Россия выделялась среди наиболее развитых ядерных держав тем, что не имела высокомощного лазера. У США есть лазерная установка NIF — на данный момент самая мощная в мире. Ее 192 лазерных луча в сумме выделяют 1,8 мегаджоуля энергии. С одной стороны, мегаджоуль не является огромным количеством — он эквивалентен 240 пищевым калориям, что похоже на легкий перекус. Но концентрация этой энергии на крошечной площади может создать очень высокие температуры и давление. Во Франции есть лазер Mégajoule, 80 лучей которого в настоящее время дают 350 килоджоулей, но к 2026 году планируется увеличить количество лучей до 176, которые будут обеспечивать энергию мощностью 1,3 мегаджоуля. Британский лазер Orion производит пять килоджоулей энергии; китайский лазер SG-III — 180 килоджоулей.

Когда строительство "царь-лазера" завершится, он превзойдет всех своих конкурентов. Как и NIF, он должен иметь 192 лазерных канала, но с более высокой суммарной мощностью в 2,8 мегаджоуля. Однако в настоящее время запущен только его первый модуль. На заседании Российской академии наук в декабре 2022 года один из чиновников сообщил, что на данном этапе лазерная установка имеет 64 луча. Их общая мощность составляет 128 килоджоулей — 6% от запланированной конечной мощности. По его словам, следующим шагом будет их испытание.

"Чем больше, тем лучше", — сказал Стефано Атцени, физик из Римского университета в Италии, о создании лазерных установок, которые производят ядерные реакции. Более крупные установки могут производить более высокую энергию, а это означает, что вещества можно подвергать более высоким температурам или давлению, или что можно испытывать большие объемы материалов. Расширение границ экспериментов потенциально дает ядерным исследователям больше полезных данных.

В экспериментах эти лазеры нагревают материалы-мишени до высокоэнергетического состояния материи, известного как плазма. В газах, твердых телах и жидкостях электроны обычно крепко привязаны к ядрам атомов, но в плазме они свободно перемещаются. Плазма выбрасывает электромагнитное излучение, такое как вспышки света и рентгеновские лучи, и частицы, такие как электроны и нейтроны. Поэтому для лазеров также необходимо оборудование для обнаружения, которое может регистрировать, когда и где происходят эти события. Эти измерения позволяют ученым делать выводы о поведении полноразмерной боеголовки.

Пока что отсутствие такого лазера не является для России большим недостатком в обеспечении функционирования ее оружия. Это потому, что Москва стремится постоянно переделывать плутониевые сердечники — центральные части ядерного заряда. Если их можно легко заменить, то нет необходимости использовать лазеры, чтобы проверить, насколько они деградировали за годы. "В США мы бы тоже восстанавливали наше ядерное оружие, только у нас нет возможности производить большое количество сердечников", — говорит Льюис. Крупнейшее в США производство на заводе Роки-Флэтс в штате Колорадо закрылось в 1992 году.

Исследователи применяют лазеры в испытаниях ядерного оружия с 1970-х годов. Сначала они совмещали их с подземными испытаниями настоящего оружия, используя данные от них для построения теоретических моделей поведения плазмы. Но после того, как в 1992 году США прекратили испытания атомного оружия в реальных условиях, добиваясь соглашения по Договору о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, они перешли к "научно обоснованному управлению запасами" — то есть использованию суперкомпьютерных симуляций взрыва боеголовок для оценки их безопасности и надежности.

Но США и другим странам, придерживающимся этого подхода, все равно нужно было физически испытать некоторые ядерные материалы. Они используют лазерные установки, чтобы убедиться, что их модели и симуляции соответствуют действительности и что их оружие по-прежнему работоспособно. И им все еще нужно делать это сегодня.

Эти системы не совершенны. "Модели, которые они используют для прогнозирования поведения оружия, не полностью предсказуемы", — говорит Атцени. На то есть разные причины. Одна из них заключается в том, что очень трудно моделировать плазму. Другая — в том, что плутоний — необычный металл, не похожий ни на один другой элемент. В отличие от других, при нагревании плутоний меняет шесть твердых форм, прежде чем расплавиться. В каждой форме его атомы занимают совсем другой объем, нежели в предыдущей.

Тем не менее, помимо реальных испытаний, лазерные эксперименты позволяют более точно предсказать, как будут действовать ядерные бомбы. США завершили строительство NIF в 2009 году и в 2015-м начали светить лучами на тонкие плутониевые мишени размером с маковое зернышко. Это позволило ученым лучше, чем когда-либо прежде, понять, что происходит внутри боеголовки.

Лазерные эксперименты могут также показать, как разрушаются материалы вблизи радиоактивных сердечников в боеголовках в течение многолетнего срока службы и какие реакции в них происходят. Информация, полученная в ходе экспериментов, поможет выяснить, как они ведут себя в условиях экстремальных температур и давления при ядерной детонации. По словам Владимира Тихончука, заслуженного профессора Центра интенсивного лазерного излучения и его применения в Университете Бордо во Франции, такие эксперименты незаменимы для проектирования и конструирования компонентов ядерного оружия.

Тихончук следит за развитием "царь-лазера" с тех пор, как увидел его презентацию на конференции в 2013 году — через год после того, как он был первоначально анонсирован. Последний раз он общался с учеными из Сарова на летней школе в соседнем Нижнем Новгороде в 2019 году. Он скептически относится к тому, что Россия достроит лазер.

Безусловно, у страны есть научная родословная. Тихончук отмечает, что у нее есть опыт партнерства в строительстве крупных научных объектов, таких как многомиллиардный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР в Кадараше во Франции. Россия также предоставила компоненты для двух установок в Германии — Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах в Гамбурге и Центра по исследованию ионов и антипротонов в Дармштадте. По его словам, ученые российского Института прикладной физики РАН разработали технологию быстрого роста кристаллов, используемую в линзах NIF и "в конструкции всех больших лазеров".

Но Тихончук считает, что сейчас России придется нелегко, потому что она потеряла большую часть необходимого опыта, поскольку ученые уехали за границу. Он отмечает, что размеры пучков "царь-лазер" очень большие — 40 сантиметров, что создает значительные трудности при изготовлении линз. Чем больше ее размер, тем больше вероятность того, что в ней будут дефекты.

Как сказал Льюис, тот факт, что Россия разрабатывает "царь-лазер", говорит о том, что она хочет сохранить свой ядерный запас. "Это признак того, что они строят планы на ядерное оружие в долгосрочной перспективе, и хорошего тут мало", — говорит он. Но если лазер будет завершен, он видит в этом шаге России крупицу надежды. "Я весьма обеспокоен тем, что США, Россия и Китай собираются возобновить испытания бомб", — заявил Льюис. По его словам, инвестиции в лазерную установку, напротив, могут показать, что у Москвы, по ее оценкам, уже достаточно данных, полученных в результате испытаний с проведением ядерных взрывов.