Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазерный термоядерный синтез (ЛТС) - одно из направлений в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (УТС), основанное на способности лазеров концентрировать энергию в малых объёмах вещества "10^-6 см³) за короткие промежутки времени (<10^-10-10^-9 с) и использующее инерциальное удержание плазмы. Эта способность лазеров обеспечивает наиб. высокое из известных сейчас контролируемое выделение энергии (10¹⁹-10²⁰ Вт/см³), сжатие и нагрев термоядерного горючего до высокой плотности (10²⁶ см^-3) и температуры (10 кэВ), при к-рых уже возможны термоядерные реакции. В отличие от магнитного удержания плазмы в УТС, в ЛТС время удержания (т. е. время существования плазмы с высокой плотностью и температурой, определяющее длительность термоядерных реакций) составляет 10^-10- 10^-11 с, поэтому ЛТС может осуществляться только в импульсном режиме. Предложение использовать лазеры для целей УТС впервые было высказано в Физ. институте им. П. Н. Лебедева АН СССР в 1961 Н. Г. Басовыми О. Н. Крохиным.

Термоядерное горючее (равнопроцентная смесь дейтерия и трития) и окружающие его слои др. веществ, имеющие разл. функциональное назначение, образуют лазерную мишень. Полное число термоядерных реакций в мишени заданной массы пропорц. nt. С ростом плотности п термоядерного горючего скорость реакции растёт линейно, а время инерциального удержания т уменьшается пропорц. размеру сжатой плазмы и зависит от геометрии мишени:

- для сферы,

- для цилиндра,

- для плоского слоя. Наиб. предпочтительной формой сжимаемой мишени оказывается сферическая:

В совр. ЛТС исследуется сжатие сферич. DT-мишени под действием на неё коротковолнового (

1 мкм) и длинноволнового (1 мкм<

10,6 мкм) лазерного излучения (ЛИ), а также рентгеновского, образующегося в результате конверсии лазерного излучения. Ниже будет рассматриваться только действие ЛИ, условное деление к-рого на коротковолновое и длинноволновое определяется физ. процессами в мишени.

Физические процессы в мишени [1-3]. Сферич. лазерная термоядерная мишень содержит ряд концентрич. сферич. оболочек. Внешняя (испаряемая) - аблятор, затем слой, аккумулирующий кинетич. энергию при движении к центру симметрии, далее возможно расположение теплоизолирующих слоев и экранов, предохраняющих внутр. слой из DT-льда (или газа под давлением от единиц до сотен атмосфер) от предварительного прогрева быстрыми электронами и реятг. излучением из короны.

ЛИ фокусируется сферически-симметрично на поверхность мишени. При плотности потока q

10¹⁴ Вт см² за времена, много меньшие длительности лазерного импульса (

10^-9 с), вещество аблятора испаряется, диссоциирует, ионизуется и превращается в плазму (т. н. корону) с характерными температурой Т

10⁷ К

1 кэВ и плотностью п_е

10¹⁸-10²² см , разлетающуюся навстречу лазерным лучам со скоростью 300

1000 км/с. Далее ЛИ распространяется по плазме вплоть до слоя с критич. плотностью n_Кр, связанной с длиной волны ЛИ

соотношением

ЛИ взаимодействует с плазмой: преломляется, отражается, поглощается и рассеивается. Осн. механизмы поглощения: тормозное; резонансное, связанное с возбуждением плазменных колебаний вблизи n_кр продольной (вдоль градиента плотности) компонентой электрич. поля ЛИ, возникающей при наклонном падении лазерного луча на мишень; аномальные (нелинейные, параметрические) процессы (напр., распад лазерного фотона на два плазмона).

Осн. виды рассеяния (и, следовательно, отражения) ЛИ - это вынужденное комбинационное рассеяние и Мандельштама - Бриллюэна рассеяние. Комптоновское рассеяние в "короне" мишени не существенно.

Для коротковолновых лазеров при q

10¹⁴ Вт/см²определяющим является тормозное поглощение; при n_е-n_кр коэф. поглощения

С увеличением плотности потока роль тормозного поглощения падает (т. к. Т

) и возрастает значение резонансного поглощения.

Для длинноволновых лазеров практически во всём исследованном для целей ЛТС диапазоне потоков ЛИ определяющим является резонансное поглощение. В этом случае частота плазменных колебаний вблизи n_кр находится в резонансе с частотой ЛИ, что приводит к существенному (в десятки раз) увеличению амплитуды электрич. иоля плазменных колебаний, на к-ром происходит ускорение электронов. Т. о., область плазмы с плотностью

является зоной поглощения излучения и генерации т. н. быстрых электронов. При резонансном поглощении поляризованного света в оптимальных условиях, определяемых углом наклона падающих лучей, поглощается ок. 50% падающего излучения. Спектр быстрых электронов приближённо имеет Максвелла распределение ,их темп-pa T_б.э. в 10 раз выше температуры плазменных электронов и может быть определена с помощью интерполяционных ф-л:

Для длинноволновых лазеров, когда вся поглощённая энергия переходит в быстрые электроны, их количество N_б.э., возникающее в единицу времени, может быть определено из равенства поглощённой лазерной мощности Q энергии рождающихся (в единицу времени) быстрых электронов: Q=N_б.э.*(3/2)T_б.э..

Экспериментально установлено, что доля поглощённой энергии при q

10¹⁴ Вт/см² и t_лаз

10^-9 с составляет 0,25-0,9 для лазеров с длинами волн 10,6 - 0,26 мкм соответственно.

Дальнейший перенос энергии из зоны поглощения в более плотные слои мишени (п_е

10²³ см^-3) осуществляется электронами (электронная теплопроводность). Тепловой поток приводит к испарению и нагреву новых частей вещества аблятора, в результате чего вся лазерная энергия преобразуется в тепловую и кинетич. энергию разлетающегося вещества. На границе испарения формируется импульс т. н. абляционного давления, складывающегося из теплового давления и реактивного давления разлетающейся плазмы (при температуре

1 кэВ, скорость разлёта в более плотные слои к центру мишени составляет

300 км/с, давление более 10⁶ атм).

Под действием этого давления неиспарённая часть мишени движется к центру симметрии и сжимается. Как правило, длительность лазерного импульса примерно равна времени сжатия. Для мишени в виде тонкой оболочки процесс сжатия описывается т. н. моделью тонкой оболочки:

(

- масса оболочки, R - текущий радиус мишени,

- толщина оболочки,

- плотность оболочки, и - скорость сжатия,

- скорость разлёта "короны"). Решение зависит от единственного параметра

. Важными величинами являются скорость сжатия u=(0,5-1)

и кинетич. энергия оболочки Ми²/2. Величина

, наз. гидродинамической эффективностью, определяет долю поглощённой энергии, перешедшей в кинетич. энергию сжимающейся оболочки, по отношению ко всей энергии ЛИ. Это важный параметр для характеристики энергетич. проблемы ЛТС. В сферич. мишенях она зависит от

и составляет 3-15%; в предельном случае плоского слоя (R

) может достигать 41%. Одновременно с трансформацией поглощённой энергии в кинетическую происходит сжатие термоядерного горючего и неиспарённого вещества оболочки ударными волнами и адиабатич. сжатие за счёт движения оболочки, играющей роль поршня. Препятствиями к достижению сверхвысокого сжатия являются: нагрев вещества ударными волнами, быстрыми электронами, рождающимися при поглощении ЛИ, и рентг. излучением из "короны"; рэлсевская-тейлоровская неустойчивость (см. Неустойчивости плазмы)процесса сжатия, связанная с неоднородностями мишени и распределением поглощённой энергии на её поверхности. Препятствия первой группы устраняются выбором соответствующего диапазона плотности потока (10¹⁴-10¹⁵ Вт/см²) и длины волны лазера (

0,3-0,5 мкм), временной формы лазерного импульса и устройства мишени. Для устойчивого сжатия мишени относительная точность в её изготовлении должна быть не менее 1%, а колебания однородности облучения не более 5%. Как показывают теоретич. расчёты, при выполнении этих условий периферийная часть термоядерного горючего может быть сжата до плотности 10²-10³ г/см³ при температуре 0,5-1 кэВ, а центр. часть (1-10% от всей массы DT-горючего) нагрета до

10 кэВ (10⁸ К) при меньшей плотности (5- 50 г/см³), что достаточно для возбуждения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Термоядерное воспламенение происходит вблизи центра симметрии мишени, а затем распространяется на периферию.

Центр мишени можно окружить спец. теплоизо-лирующими слоями, облегчающими инициирование термоядерных реакций. Для развития интенсивного горения центр. зона (Т

10 кэВ) должна быть достаточной по размерам для замедления и сохранения в ней

-частиц, образующихся в результате термоядерных реакций и имеющих энергию 3,6 мэВ. Размер d центр. зоны можно определить из сравнения его с длиной замедления

-частпц указанной энергии: nd

0,2- 0,4 г/см².

Расчётный коэф. усиления К (отношение выделившейся термоядерной энергии к энергии лазера) может достигать 10²-10³, что достаточно (в случае подтверждения этих данных на опыте) для создания экономически рентабельной термоядерной электростанции.

Для осуществления микровзрыва с таким коэф. усиления энергия лазерного импульса должна составлять 1-3 МДж, а для демонстрации физ. порога зажигания достаточно нескольких сотен кДж.

Энергетика ЛТС. На рис, 1 представлена возможная схема использования ЛТС в замкнутом энергетич. цикле с полезным энергетич. выходом. Энергия лазера в реакторе трансформируется в термоядерную с коэф. усиления К. Затем происходит частичное преобразование термоядерной энергии в электрическую

и тепловую (1-

)К, где

- кпд системы преобразования. Часть энергии (

- кпд лазера) необходимо вернуть в систему для накачки лазера. Т. о., полезный энергетич. выход в виде электрич. энергии составляет

, остальная энергия

реализуется в виде тепла. При определ. отношении

электрич. энергии к тепловой

получается зависимость необходимой эффективности лазера от коэф. усиления (рис. 2). При кпд лазера 3% необходим коэф. усиления 170, при коэф. усиления >10³ эффективность используемых лазеров может быть снижена до 0,5%,

Рис. 1. Схема замкнутого энергетического цикла с использованием ЛТС.

Термоядерный микровзрыв мишени и последующее использование и преобразование энергии осуществляется в лазерном термоядерном реакторе.

Лазер для энергетич. реактора, по совр. представлениям, должен обладать след. параметрами: энергия 1-3 МДж; длительность импульса (2-3)*10^-8с;

0,25-0,5 мкм; кпд 5-10%; частота повторения импульсов 1-10 Гц; расходимость луча должна быть достаточной для фокусировки её на мишень размером 1 см при транспортировке энергии на 30-50 м до камеры реактора.

Рис. 2. Зависимость необходимой эффективности лазера h от коэффициента усиления реактора.

Крупнейшие действующие лазерные установки (1987)

Современное состояние исследований. Исследования ЛТС проводятся в СССР, США, Японии, Великобритании, Франции, ФРГ, ПНР, ГДР, ЧССР и (в меньших масштабах) в др. странах.

Осн. эксперим. результаты: коэф. поглощения до 90% (при

=0,25 мкм); скорость разлёта оболочки к центру мишени

200км/с; сжатие D T-горючего

20 г/см³ (при температуре

0,5 кэВ); параметр

10¹⁶ см^-3 с; темп-pa DT

7 кэВ (при плотности 0,1- 0,3 г/см³); нейтронный выход

10¹¹ нейтронов. Эти характеристики были получены в разл. экспериментах в лабораториях СССР, США и Японии. Предполагается, что демонстрационный лазерный термоядерный реактор будет построен в 90-х гг. 20 в.

Литература по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС)

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.


	Энергия, кДж	Длительность импульса, с	Длина волны, мкм	Число пучков
"Нова" (Ливермор, США)	20-100	10^-10-10^-9	Nd-лазер 0,35-1,06	20
"Гекко XII" (Осака, Япония)	20	10^-10-10^-9	Nd-лазер 0,53-1,06	12
"Лекко VIII" (Осака, Япония)	10	10^-10-10^-9	СО₂- лазер 10,6	8
"Дельфин- 1" (ФИАН, СССР)	2	(1,5-4)* 10^-9	Nd-лазер 1.06	6
"Омега" (Рочестер, США)	3	0,7*10^-9	Nd-лазер 0,35-1,06	24