Использование лазеров для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
? отталкивания. Поэтому скорость реакции синтеза в дейтериево-тритиевой плазме увеличивается с ростом температуры и достигает оптимальных значений в области 100 млн. град.
Ключевым экспериментом для доказательства осуществимости термоядерного синтеза является зажигание дейтериево-тритиевой плазмы, которое требует наименьшей температуры. Под зажиганием понимается выделение термоядерной энергии, равной по величине тепловой энергии, вложенной в плазму. Для зажигания дейтериево-тритиевой плазмы с температурой 60 млн. град необходимо, чтобы произведение плотности плазмы n (число ионов в 1 см3) и времени ее существования (или удержания) ? равнялось
с/см3 (3.1)
Таким образом, во-первых, необходимо создать плазму с температурой не менее 60 млн. град. и, во-вторых, поддерживать ее достаточное время в горячем состоянии, причем время удержания зависит от плотности плазмы. Разумеется, в действительности для. создания выгодной термоядерной электростанции критерии выглядят гораздо жестче, чем (3.1), так как полезная термоядерная энергия должна во много раз превышать не только вложенную в плазму тепловую энергию, но и всю затраченную на создание и удержание плазмы энергию. Тем не менее, критерий (3.1) можно рассматривать как показатель близости к физическому осуществлению термоядерного синтеза. Для создания высокотемпературной плазмы пригодны практически, все источники энергии, обеспечивающие достаточно высокие плотности энергии (см.табл, 1).
Таблица 1 - Источники энергии, используемые для получения высоких плотностей энергии
Источник энергииПлотность энергии, Дж/смПлотность мощности, Вт/ смЭлектрический конденсатор-Электрический разрядХимическое взрывчатое веществоСильноточный электронный пучокЯдерное взрывчатое веществоСфокусированный мощный лазерный пучокАннигиляция вещества (=10 г/см3)-
Ядерный взрыв уже применяется для осуществления термоядерного синтеза в термоядерных бомбах. Но этот термоядерный процесс, разумеется, является не контролируемым взрывным процессом, так же как и инициирующий его ядерный, взрыв, возникающий в результате быстрого выделения энергии в цепной реакции деления тяжелых ядер. Однако ученым и инженерам удается контролировать протекание цепной ядерной реакции в ядерных реакторах. Именно это позволило разработать многие мирные применения ядерной энергии, в частности, создать атомную энергетику. Следующий естественный и логический шаг - добиться управления термоядерной реакцией. Однако этот шаг оказался, пожалуй, наиболее трудным в современной физике и технике. В течение последних 30 лет предприняты весьма значительные усилия для зажигания дейтериево-тритиевой смеси практически всеми доступными источниками высокой плотности энергии: мощным импульсным электрическим разрядом, сфокусированным мощным лазерным пучком, сильноточным пучком электронов. Возможности этих источников охватывают громадный интервал значений плотности плазмы: от n=10-1015 см-3 при создании и нагреве плазмы мощным электрическим разрядом до 1022 см-3 при нагреве плазмы очень мощными лазерными или электронными пучками. В соответствии с критерием (3.1) различные источники с высокой плотностью энергии требуют различных времен удержания.
В плазме сравнительно низкой плотности (n=1014 - 1015 см-3) с температурой около 50-60 млн. град. требуются времена удержания порядка нескольких секунд. Для этого, очевидно, необходима хорошая тепловая изоляция плазмы и удержание ее от разлета. Сейчас это достигается с помощью специальных конфигураций магнитного поля (магнитное удержание). Наиболее перспективной системой такого рода являются установки Токамак, разработанные в Институте атомной энергии, им. И. В. Курчатова под руководством акад. Л.А. Арцимовича. Плотность плазмы с температурой 50 млн. град. достигает значений 1015 см-3, а время удержания - долей секунды. В этих условиях наблюдаются нейтроны, возникающие в ходе реакций синтеза. Подчеркнем, что в установках Токамак нагрев плазмы до термоядерных, температур и удержание плазмы осуществляется непосредственно с помощью электрического тока в самой плазме и в окружающих ее магнитных катушках.
Импульсные источники с высокой плотностью энергии (лазерный и электронный пучки) создают гораздо более плотную плазму, но на сравнительно короткое время, порядка 10-8- 10-9 с. От удержания такой плотной плазмы можно либо вообще отказаться (так называемый режим инерционального удержания, когда время термоядерного горения оказывается меньше времени разлета плазмы), либо даже использовать сами мощные пучки фотонов или электронов для дополнительного сжатия плазмы. Импульсные методы осуществления управляемого термоядерного синтеза разработаны в меньшей степени, но, по мнению многих ученых, являются вполне конкурентоспособными со стационарным методом, используемым в установках Токамак. Нагрев и удержание высокотемпературной плазмы пучками фотонов несколько повышают требование к термоядерному выходу, поскольку к.п.д. преобразования электрической энергии в энергию высококогерентного лазерного пучка в мощных лазерных установках весьма невелик (1-10% в лучшем случае). Правда, для пучка быстрых электронов к.п.д. преобразования заметно выше (до 50%), что рассматривается как определенное преимущество этого метода при современном состоянии техники мощных лазеров, несмотря на большие трудности его фокусировки по сравнению с лазерными пучками.
Возможность нагрева вещества до термоядерных темпера?/p>