Во второй половине 1980-х, когда разделенные прежде на два противостоящих лагеря народы находили всё больше точек соприкосновения и быстро снижали темп гонки вооружений, для ВПК было бы экономическим безумием делать многомиллиардные ставки на разработку исключительно военных технологий. В конечном счете, интересы ВПК сосредоточены не на достижении военного превосходства, а на получении максимальных прибылей. Если их перестанет приносить производство оружия (наступательного или оборонительного – для ВПК это не имеет значения), то в запасе должен быть вариант мирного использования созданных технологий. Иначе – кризис, крах!

Однако военное производство сугубо специализировано, универсальные технологии в нем редки: попробуйте найти мирное применение автоматическому стрелковому оружию и крупнокалиберной артиллерии, сверхзвуковым истребителям и ядерным авианосцам.

Конечно, известны случаи успешного применения военной техники в народном хозяйстве: это мощные тягачи и суда на воздушной подушке, электроника и ракеты-носители. Но мирное применение новых технологий до сих пор, как правило, шло в арьергарде. Впервые в рамках СОИ для военного применения предлагаются технологии, разработка которых была стимулирована сугубо мирными потребностями человечества. Речь идет о генераторах направленной энергии – мощных лазерах, УВЧ-генераторах и источниках пучков нейтральных частиц.

Эти приборы совершенствуются уже не первое десятилетие в связи с острейшей проблемой нашей цивилизации – истощением источников энергии.

Стремительное уменьшение запасов химического топлива – нефти, газа, угля – заставило обратиться к ядерной энергетике. Но атомные электростанции, использующие реакции деления тяжёлых элементов, нельзя считать перспективным направлением на многие годы. Атомная энергетика помогает решать насущные проблемы, но увеличивает при этом риск распространения ядерного оружия и загрязняет окружающую среду.

Значительно более перспективна термоядерная энергетика, использующая реакции синтеза лёгких элементов. Запасы термоядерного топлива практически неограничены, термоядерный реактор будет обладать достаточно высокой экологической чистотой, и в процессе его работы не будут образовываться вещёства, которые можно было бы использовать для производства ядерного оружия.

К созданию термоядерного реактора физики продвигаются по трем направлениям: удержание плазмы в магнитном поле, нагрев и сжатие вещёства лазерным излучением, мюонный катализ (Воронов, 1985).

Начнем с лазеров: именно лазерный термояд (официально его называют инерциальный управляемый термоядерный синтез) стимулировал создание сверхмощных квантовых генераторов.

Принцип прост, осветив со всех сторон крохотную мишень из дейтерия и трития, добиться ее сжатия и нагрева до условий термоядерного синтеза. Первые успехи были получены в начале 1970-х годов на установках типа «Кальмар» (Физический институт РАН) с энергией лазерного «выстрела» около 1 кДж. К концу 1970-х в нескольких странах развернулось строительство лазеров нового типа: в СССР были созданы гигантские установки «УМИ-35», «Мишень-2», «Дельфин»; в США – «Гелиос», «Нова», «Шива». В них использовались лазеры на стекле с неодимом и на углекислом газе (CO₂). Первый из них, стеклянный, имел следующие характеристики: длина волны 1,06 мкм, выходная энергия 20 кДж, КПД 0,1 %, частота повторения импульсов 1 имп/ч.

Газовые лазеры обладали несколько иными параметрами: длина волны 10,6 мкм, выходная энергия 10 кДж, КПД 2–5 %, частота повторения 3 имп/ч. Но возможности развития лазеров далеко не исчерпаны. Теоретический предел для КПД газовых лазеров довольно высок – 40 % (CO₂) и даже 90 % (CO). Сейчас практика вплотную приблизилась к этому пределу, и характеристики самых современных лазеров значительно улучшились. Например, в Ливерморской лаборатории (США) работает термоядерная установка «Шива-Нова» с газовым ИК-лазером, дающим в импульсе около 100 кДж. Фирма AVCO (США) создала УФ-лазер такой же мощности (Бойко, 1999).

Расчеты показывают, что для строительства промышленного термоядерного реактора необходим лазер с энергией импульса 2–10 МДж (Кракстон и др., 1986). Для поражения же ракет, как мы видели, нужен лазер с энергией 10–200 МДж, в зависимости от материала, покрывающего стенки ракеты. Таким образом, лазер, удовлетворяющий требованиям СОИ, будет с запасом удовлетворять потребностям лазерного термоядерного синтеза (ЛТС), поэтому для него найдутся покупатели как в военной, так и в мирной сфере. Полагаю, это и есть предел желаний ВПК.

Сравнительные характеристики лазеров для целей ПРО и ЛТС

Сейчас в США действует национальный комплекс лазерных термоядерных реакций (NIF). В эксперименте 5 декабря 2022 года ученые впервые в истории добились положительного выхода энергии в ходе реакции термоядерного синтеза: удалось получить около 3,15 МДж энергии, что превысило переданную лазерами в мишень энергию в 2,05 МДж. Энергии было получено даже больше, чем планировалось, что привело к повреждению диагностического оборудования и усложнило анализ результатов. Однако следует учесть, что речь идёт лишь о превышении выделившейся энергии над энергией, непосредственно переданной в мишень. Общее же количество энергии, затраченной на питание 192 лазеров установки, составило 322 МДж, то есть КПД установки в этом эксперименте был менее 1 %.

Заметим, однако, что прогнозирование – вещь опасная. В области передовой техники ситуация может быстро измениться. В последнее время для сжатия и инерционного удержания термоядерного горючего успешно стали применяться ускорители легких ионов, например, лития. Они неплохо конкурируют с лазерами, ибо для поджига термоядерных реакций с помощью пучков легких ионов, по оценкам, требуется энергия около 10 МДж, а уже созданы ускорители с энергией около 4 МДж. Возможно, именно поэтому одним из перспективных компонентов СОИ считается пучковое оружие. Его предыстория также связана с термоядерной энергетикой и началась довольно давно.

Лазерный термояд и вообще инерционный метод удержания плазмы – не единственный путь к энергетическому изобилию завтрашнего дня. Не менее перспективным сейчас кажется и магнитное удержание плазмы. Разнообразные токамаки, стеллараторы и «магнитные бутылки» позволили вплотную приблизиться к условиям термоядерного синтеза. Важнейшее из них – температура 100 млн К – достигается только при использовании таких источников нагрева плазмы, как пучки нейтральных частиц и короткие радиоволны.

Пучки предварительно ускоренных заряженных частиц – электронов, протонов, различных ионов – давно используются для ядерных реакций. Но в термоядерном реакторе, например, в токамаке (тороидальная камера с магнитными катушками), плазма окружена магнитным полем, сквозь которое заряженная частица прорваться не может. Единственный способ, – разогнав заряженную частицу в электрическом поле ускорителя, сделать её затем нейтральной, что даст ей возможность преодолеть магнитный барьер токамака. Попав в плазму, частица при столкновениях вновь ионизируется и уже не сможет покинуть магнитную ловушку.

Мощные источники пучков быстрых нейтральных атомов были созданы в начале 1970-х годов. В них формируется пучок быстрых ионов водорода Н⁺ (то есть протонов), который пропускается через емкость, заполненную холодным нейтральным водородом.

В результате реакции перезарядки часть ионов Н⁺ отрывает у атомов электроны и превращается в нейтральные атомы Н. Но их высокая скорость при этом почти не изменяется (ведь масса протона значительно больше массы электрона), и из установки вылетает пучок быстрых нейтральных атомов водорода. Созданные по такой схеме инжекторы позволяют получать в пучке диаметром 20 см поток атомов 10²⁰ атом/с, ускоренных до энергии 20–40 кэВ. Четыре таких инжектора работали на советской плазменной установке «Огра-IV». В 1978 году в Окридже американские ученые создали инжектор быстрых атомов мощностью около 0,9 МВт. Четыре таких инжектора позволили получить на крупнейшем американском токамаке PLT (Princeton Large Torus) температуру плазмы 60 млн К.

Возможен и другой способ получения пучка быстрых атомов: ускорение отрицательных ионов водорода Н^– (то есть атомов водорода с двумя электронами).

Например, в 1986 году в Лос-Аламосской лаборатории (США) на ускорителе ATS таким методом получены пучки нейтральных частиц с энергией 5 МэВ и мощностью пучка 0,5 МВт. На этом ускорителе созданные в специальном устройстве отрицательные ионы водорода сначала ускоряются до энергии 1 МэВ в высокочастотном квадруполе (кстати, оба устройства – источник ионов Н^– и квадруполь – разработаны по идеям советских физиков), а затем разгоняются до энергии 5 МэВ на линейном ускорителе. После этого производится удаление «лишнего» электрона с иона Н^–.

Сейчас это делают, пропуская пучок сквозь тончайшую металлическую фольгу или слой газа. Эффективность этого процесса невелика: примерно половина ионов остается незаряженными. К тому же столкновения с неподвижными атомами нарушают форму пучка. В перспективе предлагается новый способ нейтрализации отрицательных ионов с помощью лазера. Для отрыва «лишнего» электрона, энергия связи которого 0,75 эВ, необходим ИК-лазер с длиной волны 1665 нм или, несколько меньше в зависимости от ориентации лазерного луча относительно пучка ионов (сказывается влияние эффекта Доплера, так как скорость ионов составляет заметную долю от скорости света). Эффективность нового способа нейтрализации будет не менее 90 %.

Кстати, облучать пучок нейтральных атомов лазерным лучом, вероятно, придётся ещё и по другой причине. Ведь пучок нейтральных атомов невидим, а для точного прицеливания (речь уже идет о СОИ) необходимо знать не только координаты цели, но и направление выхода пучка из ускорителя. А это не очень просто. Один из способов – заставить пучок атомов светиться, используя явление резонансной флуоресценции. Для этого придётся облучать пучок атомов лазерным лучом со специально подобранной длиной волны.

В 1990 году в Лос-Аламосской лаборатории был создан ускоритель GTA, который разгоняет частицы до энергии 100 МэВ в пучке мощностью около 10 МВт. Это уже близко к требованиям космической системы ПРО. Для использования нейтральных пучков в качестве оружия, поражающего ядерный заряд боеголовки, необходима энергия частиц в сотни МэВ и мощность пучка в сотни МВт. Такие характеристики, безусловно, удовлетворят термоядерную энергетику, а значит соответствующие устройства также найдут применение в народном хозяйстве.

Эффективным методом разогрева плазмы служит и её облучение высокочастотным радиоизлучением. Чтобы плазма охотно его поглощала, нужно добиться циклотронного резонанса – равенства частот падающего излучения и колебания заряженных частиц в магнитном поле, удерживающем плазму. Для ионов водорода эти частоты соответствуют диапазону коротких волн, то есть радиоволн длиной около 10 м.

В связи с потребностями радиосвязи для этого диапазона уже давно созданы генераторы мощностью в миллионы ватт. Циклотронная частота электронов составляет уже десятки тысяч мегагерц, что соответствует волнам миллиметрового диапазона. Для этого диапазона долгое время не было мощных генераторов.

Но советские ученые добились успеха: в Горьковском институте прикладной физики АН СССР были созданы генераторы нового типа – гиротроны, способные развивать в миллиметровом диапазоне мощность в сотни киловатт. На советском токамаке Т-10 с помощью радиоволн длиной 3,6 мм удалось довести температуру плазмы до 45 млн К при довольно высокой её плотности. Причем мощность генератора в этих экспериментах была всего 0,8 МВт. Так что эффективность нагрева в такой установке оказалась выше, чем при нагреве плазмы нейтральными пучками на американском токамаке PLT. Впрочем, американские ученые также испытывают радиочастотные методы нагрева плазмы. На токамаке Алкатор-С с помощью генератора в 1 МВт им удалось нагреть плотную плазму до 33 млн К. В сверхпроводящем токамаке Т-15 предполагается использовать для циклотронного нагрева плазмы 24 гиротрона общей мощностью 5 МВт.

В американской печати сообщалось и о разработке более мощных генераторов миллиметровых волн – гироконов – мощностью до 1 ГВт. Сфокусированные параболической антенной диаметром 20 м, эти волны создадут на расстоянии 1000 км пятно диаметром 50–100 м с плотностью потока мощности около 10 Вт/см². А это уже приближается к мощности, необходимой для поражения МБР (~100 Вт/см²), и уж во всяком случае удовлетворяет потребностям термоядерной энергетики.

Таким образом, мощные лазеры, ускорители нейтральных частиц и генераторы СВЧ-излучения, создаваемые для систем космической ПРО, являются также перспективной техникой народного хозяйства, связанной с потребностями термоядерной энергетики. А это сулит огромные рынки сбыта для новых технологий и служит дополнительным (если не определяющим) стимулом для ВПК в разработке новых мощных источников направленной энергии.

Военно-промышленный комплекс США ориентирован на получение прибыли через масштабные военные программы, включая «звёздные войны» (СОИ), а не на реальное военное превосходство. Для ВПК важен не только оборонный заказ, но и возможность применения технологий в мирной сфере, чтобы избежать кризиса. Примером служат технологии направленной энергии: сверхмощные лазеры, пучки нейтральных частиц и СВЧ-генераторы, изначально разработанные для термоядерного синтеза, которые находят военное применение в ПРО и одновременно имеют потенциал для термоядерной энергетики. Это создает новые рынки для ВПК, стимулируя разработку мощных источников энергии как для оружия, так и для гражданских целей.