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  

(время поиска примерно 20 секунд)

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 13.06.2019 - 05:11: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЙ ГИБЕЛИ ПЧЁЛ И ДРУГИХ ОПЫЛИТЕЛЕЙ РАСТЕНИЙ - Карим_Хайдаров.
12.06.2019 - 09:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:05: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> Эксперименты Сёрла и его последователей с магнитами - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:18: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Светланы Вислобоковой - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 06:28: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> К 110 летию Тунгуской катастрофы - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 21:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:27: СОВЕСТЬ - Conscience -> Высший разум - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:24: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:14: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 08:40: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution