Использование лазеров для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
?ные нейтроны в дейтериевой плазме, которые свидетельствуют о наличии сжатого ядра с плотностью 30 г/см3. В этих экспериментах, наблюдалось высокое (около 103 раз) объемное сжатие оболочечных (пустотелых) мишеней, которые рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективный тип термоядерных мишеней.
Критическая энергия импульса лазерного излучения по различным расчетам лежит в области 105 Дж. По оптимистическим оценкам при таком уровне энергии лазерного импульса можно будет реализовать экспериментально такие условия в сверхплотной термоядерной плазме, которые обеспечивают достаточно большой коэффициент термоядерного усиления энергии, т.е. значительное превышение энергии, выделившейся в результате ядерных реакций в нагреваемом объеме плазмы, над энергией лазерного излучения, затраченной на ее нагрев. Ни одна из существующих мощных лазерных установок пока не обеспечивает возможность проведения таких экспериментов. Однако создаваемые в СССР (ФИАН) и США (Лаборатории в Ливерморе и Лос-Аламосе) установки с выходной энергией импульса 10 Дж позволят достаточно надежно предсказать, насколько близок этот критический рубеж, и, следовательно, приступить к следующему важнейшему этапу лазерного УТС - созданию опытного импульсного термоядерного реактора, использующего нагрев и сжатие горячего вещества лазерным излучением. По-видимому, только после разработки мощных импульсных лазеров с к.п.д. около 10 - 20% откроется принципиальная возможность создания опытно-промышленной термоядерной электростанции. Пока с этой точки зрения наилучшей лазерной системой является мощная установка на углекислом газе.
Проведенные в Лос-Аламосской лаборатории США эксперименты по сферическому облучению мишеней наносекундными импульсами СО2-лазера с энергией несколько кДж показали, что увеличение длины-волны в 10 раз по сравнению с лазером на неодимовом стекле не привело к заметному снижению эффективности нагрева, несмотря на ожидаемое плохое проникновение ИК излучения в плазму. Это представляется весьма принципиальным для создания установок для критического эксперимента, так как пока только СО2-лазер может рассматриваться в качестве системы для генерации коротких импульсов с энергией 105 Дж. Кроме того, СО2-лазер может работать в частотном режиме и, следовательно, может лечь в основу опытного импульсного термоядерного реактора. Разумеется, реактор на основе лазерного УТС должен будет доказать свою конкурентоспособность по отношению к другим типам энергетических установок: работающих реакторам-размножителям на быстрых нейтронах и проектируемым термоядерным реакторам с магнитным удержанием плазмы.
Конечным критерием, определяющим целесообразность и сроки создания того или иного типа энергетического реактора, будет стоимость производимой им электроэнергии.
По мнению американских ученых, ответственных за программу работ в области лазерного УТС, более близкой перспективой использования лазерного термоядерного синтеза может быть не электростанция, а лазерный термоядерный космический двигатель. Реактивный двигатель на основе лазерного термоядерного синтеза может иметь характеристики, которые недоступны не только двигателям на химическом топливе, но и плазменным двигателям на основе ядерных реакторов деления. Полная стоимость и затраты труда на создание такого уникального ракетного двигателя, работающего на микровзрывах лазерного термоядерного синтеза, оцениваются в 1 млрд. долл. и 10 тыс. человеко-лет. Это соизмеримо с затратами по программе полетов на Луну Аполлон.
4. РЕАЛИЗАЦИЯ "ЛАЗЕРНОГО" ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
термоядерный лазерный реактор синтез
В лаборатории американского научного комплекса National Ignition Facility (NIF) была успешно протестирована система зажигания инерциального управляемого термоядерного синтеза (ИУТС), действие которой обеспечивают 192 лазерных пучка.
Реакция синтеза требует сближения двух лёгких ядер на фемтометровые расстояния, на которых проявляют себя ядерные силы. Сближению препятствуют силы кулоновского отталкивания, а значит, ядрам необходимо сообщить кинетическую энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера. Поскольку высота последнего возрастает пропорционально произведению зарядов обоих ядер, наиболее перспективными кандидатами считаются самые лёгкие изотопы. В экспериментах NIF будут применяться дейтерий (его ядро содержит один протон и один нейтрон) и тритий (протон и два нейтрона), у которых зарядовое число минимально и равно единице.
Естественным способом синтеза было бы ускорение ядер одного типа и бомбардировка ими мишени, выполненной из второго изотопа. Если, однако, энергию планируется получать в промышленных масштабах, эта схема не сработает, так как сечения атомных столкновений на много порядков превосходят сечения ядерных реакций. Кинетическая энергия ядер будет расходоваться на ионизацию и возбуждение атомов мишени, а вероятность реализации синтеза окажется ничтожно малой. В результате энергия, затраченная на ускорение, превысит энергетический выход полезной реакции.
Для того чтобы исключить влияние процессов ионизации и возбуждения, столкновение проводят в веществе, которое находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Основным критерием практичности здесь становится критерий Лоусона (3.1), определяющий минимальную частоту реакций синтеза, достаточную для их устойчивого поддержания в среде. Его смысл сводится к тому, что