Лазерний термоядерний синтез
ЛАЗЕРНИЙ ТЕРМОЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ (ЛТС), напрям у дослідженнях з керованого термоядерного синтезу, заснований на здатності лазера концентрувати енергію в малих об'ємах речовини (10 -6 см 3 ) за короткі проміжки часу ( -9 -10 -12 с) і використовує інерціальне . Пропозиція використовувати лазери для цілей керованого термоядерного синтезу вперше висловлено в 1961 Н. Г. Басовим і О. Н. Крохіним.
Джерелом термоядерної енергії є головним чином реакція злиття (синтезу) ядер дейтерію та тритію, в результаті якої утворюється ядро гелію (α-частка) з енергією 3,52 МеВ і нейтрон з енергією 14,1 МеВ. Швидкість цієї реакції збільшується з температурою та максимальна при температурі близько 10 кеВ (10 8 К). Число реакцій синтезу в заданій масі термоядерного пального визначається його щільністю, швидкістю реакції та часом утримання плазми (часом, протягом якого зберігається нагріта та стиснута плазма; воно становить 10 -10 - 10 -11 с).
ЛТС полягає в періодичному здійсненні камери реактора термоядерних мікровибухів мішеней під дією імпульсів лазерного випромінювання (ЛИ). Лазерна мета є порожнисту сферу, що має кілька шарів різного функціонального призначення. Зовнішній шар (аблятор) призначений для поглинання випромінювання, що впливає, і створення тиску, що стискає мету до центру; наступний шар акумулює кінетичну енергію при русі до центру симетрії, далі розташовуються шари, що теплоізолюють, що оберігають внутрішній шар термоядерного пального у вигляді DT-льоду від попереднього прогріву. Мета повинна мати температуру лише 10 -15 К. Сумарна товщина шарів в 10-30 разів менше радіусу мішені (2-3 мм). Маса такої мішені становить кілька десятків мг, а масаDT-пального – близько 1 мг. Лазери забезпечують концентрацію потужності до 10 22 Вт/см 3 , яка здатна стиснути сферичну мету до щільності, в 10 2 -10 3 разів перевищує щільність металів, і нагріти до температури 10 кеВ. Енергія лазера, необхідна запалювання такої мішені, становить кілька МДж.
У ЛТС використовується пряме та непряме стиснення мішені. Прямий стиск здійснюється при опроміненні мішені безпосередньо. Для цього застосовують короткохвильове випромінювання (з довжиною хвилі ≤ 1 мкм) лазера на неодимовому склі або ексімерного лазера. Зі зменшенням довжини хвилі поглинання випромінювання в речовині відбувається у глибших шарах, що призводить до підвищення тиску, що стискає мету. Непряме стиск здійснюється при опроміненні мішені рентгенівським випромінюванням, яке попередньо перетворюється. І тому мета поміщають в циліндричний контейнер з металу з великим атомним номером. Через отвори в торцях контейнера випромінювання фокусується на внутрішніх стінках, нагріває їх, утворюючи пристіночну плазму з температурою кілька сотень еВ. Близько 70% енергії такої плазми висвічується як рентгенівського випромінювання, яке впливає на мета. Чи перетворення в рентгенівське випромінювання забезпечує симетричне стиск мішені, проте супроводжується втратою частини енергії в стінках контейнера.
Лазерне або рентгенівське випромінювання із середньою інтенсивністю близько 10 14 Вт/см 2 , впливаючи на мішень, випаровує речовину аблятора, іонізує його і перетворює на плазму з температурою 1 кеВ і щільністю n ≈ 10 20 см -3 . Енергія із зони поглинання переноситься в щільніші шари мішені ударними хвилями, електронами плазми та її тепловим випромінюванням. В результаті формується імпульс, так званого абляційного тиску, якийскладається з теплового і реактивного тисків плазми, що розлітається. Під дією цього тиску (≥10 11 Па) частина мішені, що не випарувалася, рухається до центру симетрії зі швидкістю в кілька сотень км/с і стискається. Для стійкого стиснення мішені вона має опромінюватися великою кількістю лазерних пучків (десятки і навіть сотні) або рентгенівським випромінюванням.
При сферично-симетричному стиску оболонкової мішені формується кінцевий стан термоядерної плазми, що забезпечує ініціювання горіння в центрі. Центральна частина DT-пального стискається до густини 20-50 г/см 3 і нагрівається до температури 10 кеВ. Навколишнє центральну область DT-горюче стискається до вищої щільності (200-500 г/см 3 ) і має температуру 0,5-1 кеВ. Утворені в результаті термоядерної реакції в центрі мішені α-частки передають більшу частину своєї енергії області горіння. Енергія з області запалення переноситься в навколишнє термоядерне пальне ударною хвилею, теплопровідністю та α-частинками. Хвиля термоядерного горіння поширюється на всю масу термоядерної речовини; відбувається термоядерний мікровибух.
У 1991 р. Н. Г. Басов, С. Ю. Гуськов і Л. П. Феоктистів (Фізичний інститут імені П. Н. Лебедєва Академії Наук СРСР) запропонували схему ЛТС з підвищеною енергетичною ефективністю, що отримала назву «швидке запалювання». Вона полягає у поділі процесів нагріву та стиснення мішені за рахунок впливу на мету двох енергетичних імпульсів. Під впливом першого імпульсу (лазерне чи рентгенівське випромінювання) мета повільно (майже за адіабатичному закону) стискається до надвисоких щільностей 300-500 г/см 3 при малому нагріванні речовини. Нагрів стисненого пального другим енергетичним імпульсом забезпечує термоядерне запалення від невеликої крайової частини.пального. Такий підхід значно знижує енергію, необхідну стиснення мішені. Тривалість запалюючого імпульсу повинна дорівнювати часу утримання плазми в області запалення і становить 10-30 пс. Ефективним способом швидкого запалення є нагрівання пучком легких іонів або електронів з енергією 1-10 МеВ та повною енергією пучка 10-20 кДж. Такі іони можуть бути отримані в лазерній плазмі при дії імпульсу з інтенсивністю 1019-1020 Вт/см 2 .
Коефіцієнт термоядерного посилення До (відношення термоядерної енергії, що виділилася до енергії лазерного випромінювання) в схемі ЛТС з одним імпульсом може досягати значень близько 10 2 , у схемі швидкого запалення - близько 10 3 . Цього достатньо створення економічно рентабельної термоядерної електростанції. Схема замкнутого енергетичного циклу для термоядерної електростанції з урахуванням ЛТС представлена малюнку. Енергія лазера в лазерному термоядерному реакторі трансформується в термоядерну енергію з коефіцієнтом посилення К. Потім термоядерна енергія перетворюється на електричну енергію (μК) і теплову (1-μ)К (μ - коефіцієнт перетворення). Частина електричної енергії (1/η, де η – ккд лазера) повертається в систему для накачування лазера. Енергетичний вихід як електричної енергії становить μК - 1/η; решта енергія реалізується як теплоти. Для отримання відношення електричної енергії до теплової, що дорівнює 0,4 (при р = 0,3 і ккд лазера 10%), необхідний коефіцієнт посилення не менше 85.
Лазер для реактора повинен мати наступні параметри: енергія - 1-3 МДж; тривалість імпульсу - (2-3) · 10 -8 с; λ ≈ 0,25-0,5 мкм; ккд – 7-15%; частота повторення імпульсів – 1-10 Гц. Розбіжність променя повинна бути достатньою для фокусування її на ціль розміром 0,2-1 см при транспортуванніенергії на відстань 30-50 м-код до камери реактора. Розробляються лазери з ккд 10%, здатні працювати з частотою повторення імпульсів 10 Гц і більше. Теплова потужність станції при коефіцієнті посилення 85 та частоті повторення мікровибухів 3 Гц складе близько 1 ГВт.
Реактор є камерою розміром близько 5 м, товщина її стінок в залежності від способу захисту може досягати 1 м. Для станції потужністю 1 ГВт в камері реактора повинно відбуватися кілька термоядерних мікровибухів в секунду з виділенням енергії в 250 МДж. У кожному вибуху утворюється близько 1020 нейтронів. При частоті повторення імпульсів 3 Гц потік нейтронів на стінку становить 1014 нейтрон/(см 2 ·с).
Реакторна установка включає також систему фокусування, фабрику мішеней для виробництва близько 300 тисяч мішеней на добу, систему інжекції мішеней і контролю їх положення перед опроміненням, системи перетворення теплової енергії в електричну та захисту стінок реактора. Найбільш перспективний варіант рідкометалевого захисту (рідкий літій або рідкий сплав літію та свинцю).
Існує також схема розміщення в стінках реактора матеріалів, що діляться (уран або торій). Такі реактори називають гібридними; в них енергетичний вихід збільшується в 10 разів (при розподілі вивільняється енергія 180 МеВ, а при термоядерній реакції 17,6 МеВ) відповідно в 10 разів зростає повний коефіцієнт посилення. У гібридному реакторі джерелом нейтронів є термоядерний спалах; цей реактор добре керований та безпечний в експлуатації. За рахунок потужного нейтронного потоку в ньому можна використовувати збіднений уран, відпрацьоване ядерне паливо; такий реактор можна застосовувати для спалювання ядерних відходів, переробки довгоживучих радіоактивних ізотопів у менш небезпечні короткоживучі.При роботі гібридного реактора утворюється 239 Pu, який можна використовувати у звичайних АЕС.
Дослідження з ЛТС проводяться в Україні, США, Японії, Великій Британії, Франції, Німеччині, Китаї та інших країнах. Результати експериментів обгрунтовують практичну здійсненність ЛТС: чи поглинання в мішені -до 90%; швидкість стиснення оболонки до центру мішені - до 300 км/с, щільність DT-пального 100 г/см 3 ; температура – до 13 кеВ; нейтронний вихід 1013 нейтронів. У 2009 введено в дію встановлення NIF (National Ignition Facility) у Ліверморській національній лабораторії (США). Лазер на неодимовому склі виробляє лазерні імпульси з енергією 4,2 МДж на основній частоті (λ = 1,06 мкм) або 1,8 МДж на 3-й гармоніці (λ = 0,351 мкм). Число пучків – 192, тривалість імпульсу – 20 нс. Параметри лазера такі, що у 2010 році можливе проведення експериментів щодо досягнення коефіцієнта посилення близько 1-10. Це відкриє шлях до здійснення енергетичної програми з урахуванням ЛТС. Найпотужніший лазер Омега (університет м. Рочестер, США) має параметри (2009); число пучків – 60, енергія в імпульсі – 30 кДж (λ = 0,351 мкм). На цьому лазері отримані найвищі результати зі стиснення мішені. У Франції створюється лазер LMJ (Laser Megajoule) з енергією 2 МДж, початок експериментів планується у 2012 році. У Європі та Японії розвиваються програми HiPER (High Power laser Energy Research) та FIREX (Fast Ignition Realization Experiment), що орієнтуються на схему швидкого запалення, початок експериментів заплановано на 2015 рік.
Літ.: Басов Н. Г., Розанов В. Б., Соболевський Н. М. Лазерний термоядерний синтез в енергетиці майбутнього // Ізв. Академії наук СРСР. Енергетика та транспорт. 1975. № 6; Праці Фізичного інституту Академії наук СРСР. 1982. Т. 134: Теорія нагріву тастискання низькоентропійних термоядерних мішеней / За редакцією Н. Г. Басова; Басов Н. Г., Лево І. Г., Розанов Ст Б. Фізика лазерного термоядерного синтезу. М., 1988; Basov N. G., Gus'kov S. Y і, Feoktistov L. Р. Thermonuclear gain of ICF targets with direct heating of the ignitor // Journal of Soviet Laser Research. 1992. Vol. 13. № 5.