Ионный термоядерный синтез

ИОННЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ (ИТС), возбуждение реакции термоядерного синтеза в дейтерий-тритиевой (DT) мишени путём сжатия и разогрева мишени пучками ускоренных ионов. Идея ИТС была высказана в 1974 году. К началу 21 века ИТС не осуществлён и находится в стадии разработки. Энергию, выделяющуюся при реакции, предполагается использовать для выработки электроэнергии.

Энергетическая установка для ИТС включает: 1) мишень; 2) драйвер, состоящий из ускорителя ионов и систем компрессии и фокусировки пучка на мишень; 3) реактор и систему преобразования тепловой энергии в электроэнергию.

Различают мишени прямого действия, которые облучаются непосредственно ускоренными ионами, мишени непрямого действия, в которых энергия пучков преобразуется в энергию рентгеновского излучения, и гибридные мишени, объединяющие оба принципа. Простейшие мишени прямого действия имеют сферическую форму и состоят из трёх слоёв: лёгкого вещества, в котором поглощается энергия (абсорбер), тонкого слоя из тяжёлого вещества (пушер) и термоядерного DT-топлива. Реакция синтеза развивается благодаря тому, что сжатая и разогретая DT-смесь в течение времени, достаточного для развития реакции, инерционно удерживается от разлёта тяжёлой наружной оболочкой. В результате облучения в мишени развивается давление порядка 10⁷ МПа, сжимающее DT-смесь в 10³-10⁴ раз по объёму и разогревающее её до температур свыше 2 кэВ (более 10⁷ К). Кроме сходящейся ударной волны DT-смесь разогревается также электромагнитным и α-излучениями, которые возникают при реакции и задерживаются внутри мишени. Эти явления приводят к началу термоядерной реакции («поджигу» мишени) в центральной части, от которой термоядерная волна горения распространяется к внешним слоям мишени.

Мишени прямого действия в современных исследованиях практически не рассматриваются, так как при прямом облучении трудно реализовать высокие требования к однородности облучения (< 1%), связанные с опасностью возникновения гидродинамической неустойчивости на границе абсорбера и пушера.

Главной особенностью мишеней непрямого действия является пространственное разделение абсорбера и области ускорения сферической оболочки DT-топлива; пространство между абсорбером и DT-капсулой называется хольраумом (hohlraum). Создать симметричное облучение рентгеновским излучением очень сложно. Эта задача решается различными способами. В качестве примера на рисунке 1 приведена схема со сферическим облучением мишени ионными пучками под различными углами, предложенная российским физиком М. М. Баско. Сначала абсорбер 1 (рис. 2) симметрично облучается тяжёлыми ионами. В результате облучения ионами в хольрауме 2 генерируется рентгеновское излучение с характерной температурой 100-300 кэВ, которое попадает на капсулу 3 и инициирует DT-реакцию. В таких мишенях применяются стандартные DT-капсулы, по конструкции совпадающие с мишенью, используемой в лазерном термоядерном синтезе. Капсула, рассчитанная на поглощение 1 МДж рентгеновской энергии, содержит 3,88 мг DT-топлива и по расчётам может иметь термоядерный выход около 420-430 МДж при использовании ионных пучков со следующими параметрами: энергия 6 МДж, длительность импульса 6 нс, энергия ускоренных ионов 5-7 ГэВ; коэффициент термоядерного усиления мишени примерно 80. Другой способ симметризации рентгеновского облучения капсулы - применение несферических мишеней со сложной конфигурацией.

Для ускорения ионов в драйвере используются линейные ускорители (ЛУ) - индукционные и резонансные (смотри Тяжёлых ионов ускорители). Ток пучка на входе в ЛУ, как правило, мал (порядка 1-10 А), а ток пучка на мишени для достижения необходимой мощности составляет несколько десятков кА. Увеличение тока достигается за счёт компрессии сгустка ионов. В схеме с резонансным ЛУ компрессия осуществляется с помощью накопительных колец; в индукционном ЛУ компрессия пучка происходит по мере его ускорения за счёт выбора формы импульса напряжения на индукторах. В обоих случаях достижение столь большого коэффициента компрессии (10³-10⁴) представляет собой сложную научно-техническую задачу. Из-за кулоновского расталкивания ионов серьёзной проблемой является также фокусировка сильноточных ионных пучков на малую мишень (размером в несколько мм). Возможный выход из положения - применение плазменных каналов в системе оконечной фокусировки пучка.

Высокая стоимость и сложность установки для ИТС требуют тщательной разработки технологии её основных элементов и полного понимания процессов в системах, из которых она состоит. Исследования по ИТС проводят многие научные центры в США, Германии, России, Японии и других странах.

Лит.: Дюдерштадт Дж., Мозес Г. Инерциальный термоядерный синтез. М., 1984; Ядерный синтез с инерциальным удержанием / Под редакцией Б. Ю. Шаркова. М., 2005.