Использование лазеров для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
?ур с помощью сфокусированного на мишень лазерного излучения, была теоретически обоснована акад. Н.Г. Басовым и проф. О.Н. Крохиным еще в 1962 г., сразу же после создания первых импульсных лазеров с модуляцией добротности.
Их работы положили начало работам по исследованию лазерного управляемого термоядерного синтеза (ЛУТС), успешно развивающимся в Физическом институте им. П.Н. Лебедева АН СССР и в ряде лабораторий США, Франции, ФРГ, Англии и Японии. В лаборатории акад. Н.Г. Басова с помощью многокаскадной усилительной установки на неодимовом стекле в 1968 г. было зарегистрировано испускание нейтронов из лазерной плазмы. Этот важный результат, открывший дорогу многочисленным экспериментам по высокотемпературному нагреву вещества лазерным излучением, был воспроизведен в лабораториях США и Франции. Свойства нейтронов, испускаемых лазерной плазмой, были тщательно изучены и найдены условия, при которых они имеют термоядерное происхождение.
Однако программа лазерного УТС все же не рассматривалась как достаточно конкурентоспособная до тех пор, пока в начале 70-х годов в США и СССР не были опубликованы новые возможные технические решения, которые на несколько порядков снизили требования к критической минимальной энергии лазерного импульса, т. е. энергии, начиная с которой выделяемая в термоядерных реакциях энергия превышает вложенную в плазму световую энергию. Физический смысл предложения состоит в возможности получения сверхвысоких сжатий вещества при специальном, имеющем определенную зависимость от времени, лазерном облучении сферической мишени специальной конструкции. Такой режим сжатия называют адиабатическим. На доступном языке это означает, что лазерный импульс определенной формы сжимает вещество достаточно медленно, чтобы не возникали ударные волны, препятствующие сжатию; Идея получения сверхвысоких сжатий нагреваемой высокотемпературной плазмы с помощью всестороннего лазерного облучения мишени явилась логическим продолжением идеи использования лазеров для нагрева вещества до термоядерных температур. Так как скорость термоядерных реакций зависит не только от температуры, но и плотности плазмы, то увеличение плотности вещества в 10 000 раз примерно во столько же раз снижает требования к критической энергии лазерного импульса. Здесь оказывается существенным тот факт, что для сжатия мишени, в 10 000 раз по отношению к ее нормальной плотности требуется только один процент энергии, которая нужна, для нагрева мишени до температуры зажигания.
Итак, современная концепция лазерного УТС представляет собой сочетание нескольких последовательных этапов увеличения плотности энергии, которые условно изображены на (рис. 1).
Рис. 3 - Стадии последовательного роста плотности потока энергии в лазерном термоядерном синтезе при всестороннем облучении сферической мишени: а - концентрация световой энергии ламп-вспышек в пространстве и времени за счет стимулированного излучения в лазере; б - фокусировка пространственно-когерентного лазерного пучка; в - фокусировка сферического волнового фронта в атмосфере мишени; г - гидродинамическая фокусировка энергии в сжимаемой мишени
Лазерная многокаскадная усилительная установка концентрирует энергию в пространстве и времени от уровня интенсивности 10 (интенсивность лампы-вспышки) до 1010 Вт/см2 (интенсивность лазерного луча). Фокусировка лазерного луча обеспечивает увеличение потока энергии еще в 104-10 раз. Наличие многих параллельных каналов в лазерной установке обеспечивает одновременное всесторонне облучение сферической мишени при потоке лазерной энергии на поверхности 1014-1015 Вт/см2 (см. рис. 4).
Рис. 4 - Упрощенная схема 12-канальной установки "Шива" (внизу), созданной в лабаратории им. Лоуренса в Ливерморе, США
Сверху дана схема многокаскадного, т. е. одного канала установки.
Горячий газ вокруг мишени действует как тепловая линза, дополнительно фокусирующая световую энергию еще меньшую поверхность испаряющегося высокотемпературного сгустка вещества. За счет этого эффекта плотность световой энергии достигает значений 1015-1016 Вт/см2. Испарение вещества с поверхности вызывает обратную отдачу, которая продолжает сжимать мишень. Адиабатическое сжатие (имплозию) можно рассматривать как эквивалентную гидродинамическую фокусировку, концентрирующую кинетическую энергию в сверхплотном сгустке вещества. Эта кинетическая энергия, конвертируется во внутреннюю энергию, т. е. в нагрев сверхплотного вещества, гораздо быстрее, чем происходит сжатие. В результате этой последней стадии могут достигаться потоки энергии около 1019 Вт/см2 при сжатии вещества в 104 раз относительно нормальной плотности мишени.
Уже проведены первые успешные эксперименты по наблюдению сжатия вещества при всестороннем облучении мощным лазерным излучением. В этих экспериментах использовались мощные многоканальные и многокаскадные установки на неодимовом стекле. Получены результаты; подтверждающие перспективность использования лазерного метода нагрева плазмы для реализации УТС.
В частности, измерены температуры и плотности лазерной плазмы в широком интервале потоков лазерного излучения, выяснены механизмы нелинейного поглощения и отражения света, измерены потоки нейтронного излучения (примерно 109 нейтронов за импульс) и доказан тепловой механизм их возникновения. Более того, при сферическом облучении мишени в лаборатории, акад. Н.Г. Басова в ФИАНе зарегистрированы втори?/p>