Лазерный термоядерный синтез реферат

Обновлено: 06.07.2024

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерном оружии), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий( 2 H) и тритий ( 3 H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 ( 3 He) и бор-11 ( 11 B). Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Лаврентьев О. А.

Реакция синтеза заключается в следующем: берутся два или больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, что силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией которая и выделяется в процессе реакции. Количество выделяемой энергии описывает известная формула E=mc². Более легкие атомные ядра проще свести на нужное расстояние, поэтому водород — самый распространенный элемент во Вселенной — является наилучшим горючим для реакции синтеза.

Установлено, что смесь двух изотопов , дейтерия и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития (D-T) является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые "безнейтронные" реакции, поскольку успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора, что, в свою очередь, могло бы положительно повлиять на общественное мнение и на общую стоимость эксплуатации реактора, существенно уменьшив затраты на его декомиссию. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому D-T реакция считается только необходимым первым шагом.

Управляемый термоядерный синтез может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива.

2.1 Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

2 H + 3 H = 4 He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дешевы. Недостаток — выход нежелательной нейтронной радиации.

Два ядра: дейтерия и трития сливаются, с образованием ядра гелия (альфа-частица) и высокоэнергетического нейтрона.

$<> ^_\mbox + <>^_\mbox \rightarrow <>^_\mbox + <>^_\mbox + 17,6 \mbox< MeV>$

2.2 Реакция дейтерий + гелий-3

Существенно сложнее, на пределе возможного, осуществить реакцию дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + p. при энергетическом выходе 18,4 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако может быть получен из трития, получаемого в свою очередь на атомных электростанциях.

Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T.

$\mathrm<D> + \! ^3\mathrm \ \rightarrow \ \mathrm + <>^4\!\,\mathrm + 18353 \; \mathrm$

2.3 Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо)

Также возможны реакции между ядрами дейтерия, они идут немного труднее реакции с участием гелия-3:

$\mathrm + \mathrm \ \rightarrow \ \mathrm + \mathrm + 4032 \; \mathrm$

$\mathrm + \mathrm \ \rightarrow \ \mathrm + <>^3\!\,\mathrm + 3268 \; \mathrm$

В дополнение к основной реакции в ДД-плазме также происходят :

$\mathrm + \mathrm \ \rightarrow \ <>^3\!\,\mathrm + \gamma + 54 \; \mathrm$

$\mathrm + \mathrm \ \rightarrow \ <>^4\!\,\mathrm + \gamma + 19814 \; \mathrm$

$\mathrm<D> + \mathrm \ \rightarrow \ \mathrm + <>^4\!\,\mathrm + 17589 \; \mathrm$

$\mathrm<D> + \! ^3\mathrm \ \rightarrow \ \mathrm + <>^4\!\,\mathrm + 18353 \; \mathrm$

$<> ^3\!\,\mathrm + \! ^3\mathrm \ \rightarrow \ 2 \,\mathrm + \, <>^4\!\,\mathrm + 1286 \; \mathrm$

$\mathrm + \mathrm \ \rightarrow \ 2 \,\mathrm + <>^4\!\,\mathrm + 11332 \; \mathrm$

Эти реакции медленно протекают параллельно с реакцией дейтерий + гелий-3, а образовавшиеся в ходе них тритий и гелий-3 с большой вероятностью немедленно реагируют с дейтерием

2.4 "Безнейтронные" реакции

Наиболее перспективны так называемые "безнейтронные" реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора. Реакция дейтерий + гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.

$\mathrm<D> + \! ^3\mathrm \ \rightarrow \ \mathrm + <>^4\!\,\mathrm + 18353 \; \mathrm$

$<> ^3\!\,\mathrm + \! ^3\mathrm \ \rightarrow \ 2 \,\mathrm + \, <>^4\!\,\mathrm + 1286 \; \mathrm$

$\mathrm + \! ^1\! ^1\mathrm \ \rightarrow \ 3 \, <>^4\!\,\mathrm + 87 \; \mathrm$

)%20%d1%81%20%d0%bf%d0%be%d0%b2%d0%b5%d1%80%d1%85%d0%bd%d0%be%d1%81%d1%82%d0%b8%20%d1%81%d1%84%d0%b5%d1%80%d1%8b.%20%d0%92%d0%b7%d1%80%d1%8b%d0%b2%d0%bd%d0%be%d0%b9%20%d0%bf%d1%80%d0%be%d1%86%d0%b5%d1%81%d1%81%20%d0%b0%d0%b1%d0%bb%d1%8f%d1%86%d0%b8%d0%b8%20%d0%b4%d0%b0%d1%81%d1%82%20%d0%bd%d0%b0%d0%bf%d1%80%d0%b0%d0%b2%d0%bb%d0%b5%d0%bd%d0%bd%d1%83%d1%8e%20%d0%b2%d0%bd%d1%83%d1%82%d1%80%d1%8c%20%d1%83%d0%b4%d0%b0%d1%80%d0%bd%d1%83%d1%8e%20%d0%b2%d0%be%d0%bb%d0%bd%d1%83%20%d0%ba%d0%be%d1%82%d0%be%d1%80%d0%b0%d1%8f%20%d1%81%d0%be%d0%b6%d0%bc%d1%91%d1%82%20%d0%b8%20%d0%bd%d0%b0%d0%b3%d1%80%d0%b5%d0%b5%d1%82%20%d1%82%d0%be%d0%bf%d0%bb%d0%b8%d0%b2%d0%be,%20%d0%bd%d0%b0%d1%85%d0%be%d0%b4%d1%8f%d1%89%d0%b5%d0%b5%d1%81%d1%8f%20%d0%b2%20%d1%86%d0%b5%d0%bd%d1%82%d1%80%d0%b0%d0%bb%d1%8c%d0%bd%d0%be%d0%b9%20%d1%87%d0%b0%d1%81%d1%82%d0%b8%20%d0%bc%d0%b8%d1%88%d0%b5%d0%bd%d0%b8,%20%d0%b4%d0%be%20%d1%82%d0%b5%d1%80%d0%bc%d0%be%d1%8f%d0%b4%d0%b5%d1%80%d0%bd%d1%8b%d1%85%20%d0%bf%d0%b0%d1%80%d0%b0%d0%bc%d0%b5%d1%82%d1%80%d0%be%d0%b2,%20%d0%bf%d0%be%d1%81%d0%bb%d0%b5%20%d1%87%d0%b5%d0%b3%d0%be%20%d0%b3%d0%be%d1%80%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d0%b5%20%d0%bd%d0%b0%d1%87%d0%bd%d1%91%d1%82%20%d1%80%d0%b0%d1%81%d0%bf%d1%80%d0%be%d1%81%d1%82%d1%80%d0%b0%d0%bd%d1%8f%d1%82%d1%8c%d1%81%d1%8f%20%d0%b8%d0%b7%20%d1%86%d0%b5%d0%bd%d1%82%d1%80%d0%b0%20%d0%ba%20%d0%bf%d0%b5%d1%80%d0%b8%d1%84%d0%b5%d1%80%d0%b8%d0%b8.%20>В ИУТС-реакторе, как предполагается, будут использоваться сферические мишени с оболочкой, поглощающей подаваемую извне энергию. Вложение энергии должно приводить к испарению

Использование лазеров для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза

Другие материалы по предмету

Тема: "Использование лазеров для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза"

1. Необходимость управляемого термоядерного синтеза

В 1954 г. в Советском Союзе вступила в строй первая в мире промышленная атомная электростанция. Тем самым советские ученые и инженеры показали всему миру, что человек может использовать атомную энергию в мирных целях. В течение тридцати последующих лет в СССР был построен целый ряд атомных электростанций, спущены на воду мощные атомные ледоколы. Прирученная человеком атомная энергия - это огромная энергия, освобождаемая при делении тяжелых атомных ядер (например, урана или плутония).

Огромная энергия освобождается также при соединении друг с другом (при синтезе) лёгких атомных ядер - водорода, дейтерия (тяжелого водорода), трития (сверхтяжелого водорода). Ядро дейтерия (D) состоит из протона и нейтрона, а трития (Т) - из протона и двух нейтронов. При взаимодействии этих ядер образуются ядро гелия (α-частица) и свободный нейтрон: D+T→Не+n. Ядро гелия представляет собой весьма прочное образование; энергия связи частиц в нем значительно больше, чем в ядрах дейтерия или трития. Поэтому в реакции синтеза освобождается большое количество энергии: 17,6 МэВ на каждую пару взаимодействующих ядер D и Т. Помноженное на огромное число взаимодействующих водородных ядер это количество энергии и дает ту фантастическую энергию, которая освобождается при взрыве водородной бомбы.

Над этой проблемой ученые упорно работают вот уже несколько десятков лет. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза имеет исключительно важное значение для человечества, так как это есть решение энергетической проблемы. Сегодня общество удовлетворяет свои потребности в энергии, главным, образом, сжигая уголь, торф, газ, нефть; отчасти (примерно на 10%) эти потребности удовлетворяются за счет энергии гидроэлектростанций и атомных электростанций. К сожалению, природные запасы нефти и газа быстро истощаются. Кроме того, сжигать нефть или газ попросту нерационально; ведь они являются ценным сырьем для получения целого ряда химических продуктов, а также для производства белка.

Вот почему так важно овладеть новым и притом практически неисчерпаемым источником энергии - управляемым термоядерным, синтезом.

2. ПЛАЗМА И ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

.1 Четвертое состояние вещества

При нагревании все вещества сначала плавятся, потом испаряются и, наконец, переходят в состояние плазмы: молекулы распадаются на атомы, атомы ионизируются, и образуется смесь положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Движение заряженных частиц порождают электрические и магнитные поля, которые влияют на траектории соседних частиц. Поэтому частицы в плазме двигаются согласованно, что отличает ее от обычного газа из электрически нейтральных молекул и делает поведение плазмы чрезвычайно сложным.

Рис. 1 - Струи солнечной плазмы движутся по дугам вдоль силовых линий магнитного поля. Фото: NASA/TRACE

2.2 Цикл термоядерного реактора

Цель управляемого термоядерного синтеза УТС - обеспечить протекание реакции слияния легких ядер. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют реакции с участием изотопов водорода: дейтерия и трития (DT-цикл) либо одного дейтерия (DD-цикл).

В первом случае рождаются α-частица с энергией 3,5 МэВ и нейтрон с энергией 14,1 МэВ; во втором - с равной вероятностью образуются ядро 3Не и нейтрон или тритон (ядро трития) и протон.

Выделяющаяся в различных реакциях синтеза энергия изменяется в несколько раз, тогда как их сечения, или вероятности (зависящие от энергии взаимодействующих частиц), различаются более существенно. Так, максимальное сечение DT-реакции превышает соответствующую величину для DD-реакции более чем в 50 раз.

Кроме того, энергия сталкивающихся частиц (температура плазмы), при которой достигается этот максимум, для первой реакции примерно в 10 раз ниже, чем для второй. С этой точки зрения DT-реакция более предпочтительна и реализуется легче. (при меньших значениях температуры и плотности плазмы), так что в настоящее время концепция УТС исходит из использования DT-смеси.

Однако тритий - нестабильный (отсутствующий в природных условиях) и весьма дорогой элемент. Его необходимо воспроизводить в самом реакторе. Поэтому в дальнейшем, после отработки необходимых систем, единственным топливом для реактора станет неизмеримо более дешевый и доступный дейтерий.

Интенсивность ядерной реакции, т.е. число актов взаимодействия в единице объема за единичный промежуток времени, сильно зависит от энергии сталкивающихся ядер. Поэтому для осуществления УТС требуется нагреть DT-смесь до очень высокой температуры, порядка 100 млн. градусов. Любое вещество при таких температурах представляет собой плазму. Однако даже столь огромная температура сама по себе еще не гарантирует успеха, ибо интенсивность термоядерного синтеза определяется не только температурой плазмы, но и ее плотностью. Так, для наиболее вероятной DT-реакции плотность плазмы в термоядерном реакторе при указанной температуре должна быть не менее 10 см3.

Рис. 2 - Реакции, протекающие в термоядерном реакторе с наибольшей вероятностью

Поскольку тритий не встречается в природе, его следует воспроизводить в процессе работы реактора. Для этого предусмотрена специальная оболочка, окружающая рабочую камеру и называемая бланкетом термоядерного реактора. Бланкет изготавливают из материала, содержащего литий, так как тритий образуется в реакции 6Li + n → Не + Т. Сгорающий при синтезе тритий пополняется в литиевом бланкете, так что реактор работает, по существу, на дейтерии и литии. Запасы этих элементов на нашей планете настолько велики, что при прогнозируемых темпах потребления их должно хватить на многие сотни лет.

Теплотворная способность термоядерного топлива во много раз выше, чем не только у обычного, но и у ядерного топлива АЭС. Действительно, при синтезе 1 г DT-смеси выделяется примерно в 20 млн. раз больше энергии, чем при сгорании 1 г угля, и в 8 раз больше, чем при полном делении 1 г урана.

По составу бланкета термоядерные реакторы разделяются на "чистые" и гибридные. В бланкете чистого реактора воспроизводится лишь тритий. В гибридном же реакторе бланкет наряду с литием содержит исходные материалы для получения делящихся нуклидов - 238U или 232Th. Образующиеся при их облучении нейтронами 239Рu или 233U служат топливом для реакторов деления.

В обоих случаях тепловая энергия, выделяющаяся в бланкете, идет на нагрев теплоносителя и преобразуется в электрическую точно так же, как на АЭС. В чистом термоядерном реакторе единственная полезная "продукция" - это электроэнергия, а в гибридном реакторе к ней добавляются делящиеся нуклиды.

3. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАГРЕВ ВЕЩЕСТВА

Мощное лазерное излучение имеет высокую яркость и весьма высокую эффективную температуру. Отсюда следует возможность нагрева вещества лазерным излучением до-высоких температур, вплоть до термоядерных. Законы термодинамики запрещают передавать энергию от холодного тела к более горячему без выполнения дополнительной работы, величина которой превышает величину передаваемой энергии. Поэтому солнечным светом, даже собранным сколь угодно большими оптическими системами, нельзя нагреть вещество до температуры более 6000 град, так как нагретое вещество сразу же начнет возвращать энергию солнцу. Очень высокая эффектив

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАФЕДРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

Выполнил(а) Дубинина Ю.А.

студент(ка) 1 курса, Фт-190301 группы

очной формы обучения

Доктор физико-математических наук Кружалов А.В.
Е катеринбург 2019

Принцип работы лазерного термоядерного синтеза………………………9

Саратовская лазерная термоядерная установка………………………10-11

Список использованной литературы………………………………………12

Термоядерный синтез – это процесс слияния (или синтеза) легких ядер в более тяжелые, процесс сопровождается выделением энергии связи.

Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Олег Лаврентьев. Кроме него важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как Андрей Сахаров и Игорь Тамм, а также Лев Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года. Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века.

Легче всего происходит слияние изотопов водорода — дейтерия D и трития T.

D + T = 4He + n + 17,6 МэВ,

D + D = T + p + 4,0 МэВ,

D + D = 3He + n + 3,25 МэВ.

До процесса слияния ядра дейтерия и трития обладают энергией порядка 10 кэВ; энергия продуктов реакции достигает величины порядка единиц и десятков мегаэлектронвольт. Следует также отметить, что сечение реакции D + T и скорость ее протекания значительно выше (в сотни раз), чем для реакции D + D. Следовательно, для реакции D + T значительно легче достичь условий, когда выделившаяся термоядерная энергия превзойдет затраты на организацию процессов слияния.

Возможны и реакции синтеза с участием других ядер элементов (например, лития, бора и т.д.). Однако сечения реакций и скорости их протекания для этих элементов существенно меньше, чем для изотопов водорода, и достигают заметных значений лишь для температур порядка 100 кэВ. Достижение таких температур в термоядерных установках в настоящее время предоставляется совершенно нереальным, поэтому лишь реакции слияния изотопов водорода могут иметь практическое применение в ближайшем будущем.

Лазер, или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например, лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков, штрих-кодов и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза. [Приложение 1]

К лазерам теория предъявляет крайне жесткие требования. Кпд лазера, например, должен быть не менее 10% при энергии излучения 1-3 МДж, иначе вся выработанная термоядерная энергия попросту уйдет на питание самого лазера. Однако это требование не столь критично, ввиду возможности примерно десятикратного увеличения энергетического выхода благодаря использованию для оболочки дейтерий-тритиевой мишени делящихся материалов. Значительно более серьезными представляются трудности, связанные с лучевой прочностью лазерных материалов, оптических элементов, стабильностью работы и т. д. Так, лазер, пригодный для термоядерного реактора, должен давать порядка ста миллионов импульсов излучения без замены элементов и юстировки. При этом длительность лазерного импульса должна находиться в субнаносекундной области (менее 10-9с) при частоте повторения вспышек 1-10 Гц, то есть "стрелять" лазер должен очень короткими импульсами со скоростью минимум раз в секунду. Только при выполнении всех этих условий коэффициент усиления реактора (отношение выделившейся термоядерной энергии к энергии лазера) может достичь 100 - 1000, и термоядерная реакция наконец-то пойдет. Ясно, что сконструировать столь сложную систему с таким количеством взаимоисключающих требований - задача не из легких.

Какой лазер станет основой будущей термоядерной электростанции, нет полной ясности даже в среде специалистов. Практически все имеющиеся сегодня в мире установки еще не обладают энергией, достаточной для осуществления зажигания. Наиболее вероятный кандидат на эту роль, по-видимому, лазер на неодимовом стекле с импульсной накачкой излучением светодиодов. Об этом свидетельствуют его высокий коэффициент полезного действия (до 10%) и большая частота следования импульсов (до 5 Гц), а также последние успехи в разработке светодиодных матриц.

Газовые лазеры

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Гелий-неоновый лазер	632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм)	Электрический разряд	Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.
Аргоновый лазер	488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм)	Электрический разряд	Лечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.
Криптоновый лазер	416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нм	Электрический разряд	Научные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.
Ксеноновый лазер	Множество спектральных линий по всему видимому спектру и частично в УФ и ИК областях.	Электрический разряд	Научные исследования.
Азотный лазер	337,1 нм (316; 357 нм)	Электрический разряд	Накачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.
Лазер на фтористом водороде	2,7—2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6—4,2 мкм (фторид дейтерия)	Химическая реакция горения этилена и трёхфтористого азота (NF₃), инициируемая электрическим разрядом (импульсный режим)	Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей и в импульсном режиме в области тераваттных мощностей. Один из самых мощных лазеров. Лазерные вооружения. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).
Химический лазер на кислороде и иоде (COIL)	1,315 мкм	Химическая реакция в пламени синглетного кислорода и иода	Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей. Также создан и импульсный вариант. Научные исследования, лазерные вооружения. Обработка материалов. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). В перспективе: источник накачки неодимовых лазеров и рентгеновских лазерных систем.
Углекислотный лазер (CO₂)	10,6 мкм, (9,6 мкм)	Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд, химическая реакция (DF-CO₂ лазер)	Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.
Лазер на монооксиде углерода (CO)	2,5—4,2 мкм, 4,8—8,3 мкм	Электрический разряд; химическая реакция	Обработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.

Лазеры на парах металлов

Суть лазерного термоядерного синтеза в том, что стеклянную ампулу с очень небольшим количеством смеси дейтерия с тритием со всех сторон облучают мощными лазерными импульсами. Ампула испаряется, а реактивное давление паров сжимает ее содержимое настолько, что в смеси "зажигается" термоядерная реакция. При этом высвобождается энергия, эквивалентная взрыву примерно 100 килограммов тротила. Она выделяется в форме нагретых до высокой температуры продуктов реакции и потока нейтронов. Говорить об этой схеме как об альтернативе стационарной системе нагревания термоядерного вещества стали в 1962 году, Николай Геннадьевич Басов, Крохин Олег Николаевич.

Проблема управляемого ядерного синтеза, включая "лазерную" его "версию", все еще не решена, хотя ей исполнилось уже 50 лет, но работы в этом направлении продолжаются.

Как будет выглядеть лазерный термоядерный реактор? На эту тему сейчас можно только фантазировать. Ясно одно, что целая серия симметрично расположенных мощных лазеров с расстояния в десятки метров будет методично "обстреливать" мишень - ампулу размером около сантиметра. Мишени станут подаваться в реактор несколько раз в секунду и со сверхвысокой точностью фиксироваться в его центре. Неоднородность интенсивности облучения мишени при этом не может превышать нескольких процентов, а размеры самой ампулы должны быть выдержаны с точностью до одного процента. Из теоретических работ следует, что для осуществления самоподдерживающейся реакции синтеза необходимо достичь исходной плотности дейтерий-тритиевого газа 100-200 г/см3 при температуре 3-5 кэВ. Достичь этих параметров даже при использовании мощного лазерного излучения достаточно трудно.

За прошедшие десятилетия активно изучались различные типы мишеней: для прямого и непрямого облучения, однослойные и многослойные, имеющие разнообразную конструкцию и форму. При этом получен богатый расчетно-теоретический и экспериментальный материал. Исследуют мишени на крупных физических установках: "Нова" - с энергией излучения в импульсе до 120 кДж - в Ливерморской национальной лаборатории США; "Омега" - с энергией излучения до 60 кДж - в Рочестере (тоже США); "Гекко-12" в Осаке (Япония) и "Фебус" во французском городе Лимейл, обе с энергией излучения в импульсе до 20 кДж, и в российском Сарове "Искра-5" - до 30 кДж. В экспериментах на них исследователи ищут ответы на основные проблемные вопросы физики лазерного термоядерного синтеза.

В апреле 2019 года в Сарове была установлена на свое место лазерная термоядерная установка, при помощи которой планируется проводить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу. Идея создания такой установки была предложена в 1950-х академиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.[Приложение 3]

Город Саров, ранее Арзамас-16, выбран для столь представительного международного форума неслучайно. Здесь не только создавалось атомное и термоядерное оружие, но и построены самые мощные в стране и в Европе лазерные установки. Потому изначально коллектив знаменитого во всем мире уникального института не только жил "порохом единым", но и занимался другими, не менее важными проблемами, например инерциальным ядерным синтезом.

Алгоритм работы с лазерной установкой следующий: сферическую капсулу заполняют смесью дейтерия и трития, а затем на ее поверхность посылается мощный лазерный импульс. Под его действием часть капсулы испаряется, создается абляционное давление. Оно разгоняет сферический поршень (часть, которая не испарилась) до очень высоких скоростей. Все это приводит к симметрическому сжатию смеси до необходимых для проведения термоядерной реакции параметров.

Согласно текущим представлением для активации термоядерной мишени при помощи лазера необходимо излучение мегаджоульных энергий, а подводить ее к цели нужно в виде профилированного импульса с длительностью около 5 наносекунд. К слову, Ливерморской национальной лаборатории, расположенной в США удалось добиться увеличения мощности лазера вплоть до 1,8 МДж.

Что касается текущей установки, то ее разработка началась с предложения РФЯЦ-ВНИИЭФ по созданию новой системы. Это предложение было сделано в 1996 году. Установка, о которой говорили авторы проекта, нужна для проведения экспериментов по зажиганию термоядерной мишени.

Главный элемент установки — камера взаимодействия. Это сфера диаметром 10 м, масса которой достигает 120 т. Именно в ней и должно происходить взаимодействие лазерной энергии с мишенью. При таких параметрах камеры и большом количестве важных элементов внутри ее транспортировка — сложная задача. Поэтому камеру монтировали неподалеку от того места, где она должна использоваться.

За 14 месяцев разработчикам удалось смонтировать сферу и разметить ее для инсталляции систем ввода излучения, технологических систем и диагностического измерительного оборудования. Толщина стенки камеры из алюминиевого сплава составляет около 100 мм. Всего на поверхности сферы располагается более 100 портов.

По словам академика РАН Сергея Гаранина до настоящего момента еще никому не удалось зажечь термоядерную мишень в лаборатории. Главная проблема состоит в том, что небольшое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей. При этом оболочная должна двигаться сферически симметрично, нельзя допустить отклонения от сферического сжатия. На той же установке NIF необходимой однородности облучения центральной капсулы достичь не удалось. Но на саровской установке, возможно, удастся достичь успеха.

В настоящее время проводятся испытания первого модуля установки. В конце 2019 года будет проведен пробный запуск. Ну а ввод системы в эксплуатацию назначен на 2022 год.

Кузнецов, Николай Динамический синтез управляемых машин / Николай Кузнецов. - М.: Palmarium Academic Publishing, 2014. - 360 c.
Крайнов В. П. Лазерный термоядерный синтез в кластерах. — 2001. -80 с. (ред.)
Лебо, Иван Исследование гидродинамической неустойчивости в задачах лазерного термоядерного синтеза методами математического моделирования / Иван Лебо. - Москва: Наука, 2006. - 755 c.
Пост, Р. Высокотемпературная плазма и управляемые термоядерные реакции: моногр. / Р. Пост. - М.: Издательство иностранной литературы, 1990. - 118 c.
Филюков, А. А. Лазерный термоядерный синтез / А.А. Филюков. - Москва: Гостехиздат, 1975. - 171 c.
Фланаган, Дж.Л. Анализ, синтез и восприятие речи: моногр. / Дж.Л. Фланаган. - М.: [не указано], 1985. - 670 c.

На схеме обозначены:

1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч

Схема мишени прямого облучения. Капсула с изотопами водорода окружена двухслойной оболочкой. Снаружи мишень, покрыта медью или полимерной пленкой толщиной 10-15 микрон, изнутри – более толстым слоем железа, золота, индия или др. материалов.

На исследования в области лазерного термоядерного синтеза тратятся миллиарды долларов во всем мире. Что такое лазерный термоядерный синтез (ЛТС)? Зачем он нужен и каких экспериментальных успехов уже удалось добиться? Рассказывает доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник сектора теории твердого тела Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН Михаил Леонидович Шматов.

Управляемый термоядерный синтез, в том числе лазерный, может быть использован для развития энергетики будущего и не только. Температура нагревания плазмы для зажигания реакции такого типа может достигать 140 миллионов градусов Цельсия. За всю историю науки зажечь термоядерную мишень в лаборатории до сих пор никому не удавалось, и сегодня над этой задачей трудятся тысячи специалистов по всему миру.

● Н.Г. Басов, О.Н. Крохин. Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора. ЖЭТФ, том 46, вып. 1, стр. 171–175 (1964).

● E. Teller. A future ICE (thermonuclear, that is!) IEEE Spectrum, Vol. 10, N 1, pp. 60–63 (1973) [перевод: Э. Теллер. Современные двигатели внутреннего сгорания. В сборнике статей Проблемы лазерного термоядерного синтеза, под ред. А.А. Филюкова, стр. 15–21 (Атомиздат, М., 1976)].

● В.А. Щербаков. Расчет воспламенения термоядерной лазерной мишени фокусирующейся ударной волной. Физика плазмы, том 9, вып. 2, стр. 409–411 (1983).

● Л.П. Феоктистов. Горизонты ЛТС. В сб.: Будущее науки, вып. 18, стр. 168–198 (Знание, М., 1985).

● Н.Г. Басов, И.Г. Лебо, В.Б. Розанов. Физика лазерного термоядерного синтеза (Знание, М., 1988).

● М.М. Баско, С.Ю. Гуськов, А.Н. Диденко, А.В. Забродин, В.С. Имшенник, Д.Г. Кошкарев, М.В. Масленников, С.А. Медин, С.Л. Недосеев, Ю.Н. Орлов, В.П. Смирнов, В.И. Субботин, Л.П. Феоктистов, В.В. Харитонов, М.Д. Чуразов, Б.Ю. Шарков. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики, под ред. Б.Ю. Шаркова (Физматлит, М., 2005).

● M.L. Shmatov. Some thermonuclear power plants as the possible sources of He 3 for space propulsion systems. JBIS, Vol. 60, N 5, pp. 180–187 (2007).

● D. Clery. Laser-powered fusion effort nears ‘ignition’. Science, Vol. 373, issue 6557, p. 841 (2021).

● М.Л. Шматов. Инициирование микровзрыва микровзрывом и некоторые другие сценарии управляемого термоядерного синтеза с безнейтронными реакциями. УФН, том 189, № 1, стр. 72-84 (2019).

Читайте также:

Рабочее тело	Длина волны	Источник накачки	Применение
Гелий-кадмиевый лазер на парах металлов	440 нм, 325 нм	Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.	Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования.
Гелий-ртутный лазер на парах металлов	567 нм, 615 нм	Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.	Археология, научные исследования, учебные лазеры.
Гелий-селеновый лазер на парах металлов	до 24 спектральных полос от красного до УФ	Электрический разряд в смеси паров металла и гелия.	Археология, научные исследования, учебные лазеры.
Лазер на парах меди	510,6 нм, 578,2 нм	Электрический разряд	Дерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях.