к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Лазерный термоядерный синтез (ЛТС)

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: 2545-14.jpg - для сферы,2545-15.jpg2545-16.jpg - для цилиндра, 2545-17.jpg - для плоского слоя. Наиб. предпочтительной формой сжимаемой мишени оказывается сферическая:2545-18.jpg

В совр. ЛТС исследуется сжатие сферич. DT-мишени под действием на неё коротковолнового (2545-19.jpg1 мкм) и длинноволнового (1 мкм<2545-20.jpg10,6 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 q2545-21.jpg1014 Вт см2 за времена, много меньшие длительности лазерного импульса (2545-22.jpg 10-9 с), вещество аблятора испаряется, диссоциирует, ионизуется и превращается в плазму (т. н. корону) с характерными температурой Т2545-23.jpg107 К2545-24.jpg 1 кэВ и плотностью пе2545-25.jpg1018-1022 см , разлетающуюся навстречу лазерным лучам со скоростью 3002545-27.jpg 1000 км/с. Далее ЛИ распространяется по плазме вплоть до слоя с критич. плотностью nКр, связанной с длиной волны ЛИ 2545-28.jpg соотношением

2545-29.jpg

где те, e - масса и заряд электрона.

ЛИ взаимодействует с плазмой: преломляется, отражается, поглощается и рассеивается. Осн. механизмы поглощения: тормозное; резонансное, связанное с возбуждением плазменных колебаний вблизи nкр 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 q2545-30.jpg1014 Вт/см2 определяющим является тормозное поглощение; при nе-nкр коэф. поглощения

2545-31.jpg

С увеличением плотности потока роль тормозного поглощения падает (т. к. Т2545-32.jpg) 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 nкр 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 2545-33.jpg 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 Tб.э. в 2545-34.jpg10 раз выше температуры плазменных электронов и может быть определена с помощью интерполяционных ф-л:

2545-35.jpg

Здесь q выражено в Вт/см2, 2545-36.jpg в мкм и Т в кэВ.

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

Экспериментально установлено, что доля поглощённой энергии при q2545-37.jpg1014 Вт/см2 и tлаз2545-38.jpg10-9 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 (пе2545-39.jpg1023 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 2545-40.jpg1 кэВ, скорость разлёта в более плотные слои к центру мишени составляет 2545-41.jpg300 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:

2545-42.jpg

(2545-43.jpg - масса оболочки, R - текущий радиус мишени, 2545-44.jpg - толщина оболочки,2545-45.jpg - плотность оболочки, и - скорость сжатия, 2545-46.jpg- скорость разлёта "короны"). Решение зависит от единственного параметра 2545-47.jpg . Важными величинами являются скорость сжатия u=(0,5-1)2545-48.jpg и кинетич. энергия оболочки Ми2/2. Величина 2545-49.jpg , 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 2545-50.jpg и составляет 3-15%; в предельном случае плоского слоя (R 2545-51.jpg) 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 (2545-52.jpg0,3-0,5 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 2545-53.jpg10 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 (Т2545-54.jpg10 кэВ) должна быть достаточной по размерам для замедления и сохранения в ней 2545-55.jpg -частиц, образующихся в результате термоядерных реакций и имеющих энергию 3,6 мэВ. Размер d центр. зоны можно определить из сравнения его с длиной замедления 2545-56.jpg-частпц указанной энергии: nd2545-57.jpg0,2- 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 2545-59.jpg и тепловую (1-2545-60.jpg, где 2545-61.jpg - кпд системы преобразования. Часть энергии (2545-62.jpg, 2545-63.jpg - кпд лазера) необходимо вернуть в систему для накачки лазера. Т. о., полезный энергетич. выход в виде электрич. энергии составляет 2545-64.jpg, остальная энергия2545-65.jpg реализуется в виде тепла. При определ. отношении2545-66.jpg электрич. энергии к тепловой2545-67.jpg2545-68.jpg 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%,

2545-58.jpg

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;2545-69.jpg 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.

2545-70.jpg

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

Крупнейшие действующие лазерные установки (1987)


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


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 2545-71.jpg=0,25 мкм); скорость разлёта оболочки к центру мишени 2545-72.jpg200км/с; сжатие D T-горючего 2545-73.jpg 20 г/см3 (при температуре 2545-74.jpg0,5 кэВ); параметр2545-75.jpg 1016 см-3 с; темп-pa DT2545-77.jpg7 кэВ (при плотности 0,1- 0,3 г/см3); нейтронный выход 2545-78.jpg1011 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)

  1. Басов Н. Г., Розанов В. Б., Соболевский Н. М., Лазерный термоядерный синтез в энергетике будущего, "Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт", 1975, №6, с. 3;
  2. Бракнер К., Джорна С., Управляемый лазерный синтез, пер. с англ., М., 1977;
  3. Афанасьев Ю. В. и д р., Взаимодействие мощного лазерного излучения с плазмой, в кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 17, М., 1978;
  4. Теория нагрева и сжатия низкоэнтропийных термоядерных мишеней, "тр. ФИАН", 1982, т. 134;
  5. Басов Н. Г. и др., Нагрев и сжатие термоядерных мишеней, облучаемых лазером, в кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 26, ч. 1-2, М., 1982.

Е. Г. Гамалий, В. Б. Розанов

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution