Лазерный термоядерный синтез

ЛАЗЕРНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ (ЛТС), направление в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, основанное на способности лазера концентрировать энергию в малых объёмах вещества (10^–6 см³) за короткие промежутки времени (< 10^-9-10^-12 с) и использующее инерциальное удержание плазмы. Предложение использовать лазеры для целей управляемого термоядерного синтеза впервые высказано в 1961 году Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным.

Источником термоядерной энергии является главным образом реакция слияния (синтеза) ядер дейтерия и трития, в результате которой образуется ядро гелия (α-частица) с энергией 3,52 МэВ и нейтрон с энергией 14,1 МэВ. Скорость этой реакции увеличивается с температурой и максимальна при температуре около 10 кэВ (10⁸ К). Число реакций синтеза в заданной массе термоядерного горючего определяется его плотностью, скоростью реакции и временем удержания плазмы (временем, в течение которого сохраняется нагретая и сжатая плазма; оно составляет 10^–10 - 10^–11 с).

ЛТС заключается в периодическом осуществлении в камере реактора термоядерных микровзрывов мишеней под действием импульсов лазерного излучения (ЛИ). Лазерная мишень представляет собой полую сферу, имеющую несколько слоёв различного функционального назначения. Внешний слой (аблятор) предназначен для поглощения воздействующего излучения и создания давления, сжимающего мишень к центру; следующий слой аккумулирует кинетическую энергию при движении к центру симметрии, далее располагаются теплоизолирующие слои, предохраняющие внутренний слой термоядерного горючего в виде DT-льда от предварительного прогрева. Мишень должна иметь температуру всего лишь 10^-15 К. Суммарная толщина слоёв в 10-30 раз меньше радиуса мишени (2-3 мм). Масса такой мишени составляет несколько десятков мг, а масса DT-горючего - около 1 мг. Лазеры обеспечивают концентрацию мощности вплоть до 10²² Вт/см³, которая способна сжать сферическую мишень до плотности, в 10²-10³ раз превышающей плотность металлов, и нагреть до температуры 10 кэВ. Энергия лазера, необходимая для зажигания такой мишени, составляет несколько МДж.

В ЛТС используется прямое и непрямое сжатие мишени. Прямое сжатие осуществляется при облучении мишени непосредственно ЛИ. Для этого применяют коротковолновое излучение (с длиной волны λ ≤ 1 мкм) лазера на неодимовом стекле или эксимерного лазера. С уменьшением длины волны поглощение излучения в веществе происходит в более глубоких слоях, что приводит к повышению давления, сжимающего мишень. Непрямое сжатие осуществляется при облучении мишени рентгеновским излучением, в которое предварительно преобразуется ЛИ. Для этого мишень помещают в цилиндрический контейнер из металла с большим атомным номером. Через отверстия в торцах контейнера излучение фокусируется на внутренних стенках, нагревает их, образуя пристеночную плазму с температурой в несколько сотен эВ. Около 70% энергии такой плазмы высвечивается в виде рентгеновского излучения, которое воздействует на мишень. Преобразование ЛИ в рентгеновское излучение обеспечивает симметричное сжатие мишени, однако сопровождается потерей части энергии в стенках контейнера.

Лазерное или рентгеновское излучение со средней интенсивностью около 10¹⁴ Вт/см², воздействуя на мишень, испаряет вещество аблятора, ионизует его и превращает в плазму с температурой 1 кэВ и плотностью n_е ≈ 10²⁰ см^-3. Энергия из зоны поглощения переносится в более плотные слои мишени ударными волнами, электронами плазмы и её тепловым излучением. В результате формируется импульс, так называемого абляционного давления, которое складывается из теплового и реактивного давлений разлетающейся плазмы. Под действием этого давления (≥10¹¹ Па) неиспарившаяся часть мишени движется к центру симметрии со скоростью в несколько сотен км/с и сжимается. Для устойчивого сжатия мишени она должна облучаться большим количеством лазерных пучков (десятки и даже сотни) либо рентгеновским излучением.

При сферически симметричном сжатии оболочечной мишени формируется конечное состояние термоядерной плазмы, обеспечивающее инициирование горения в центре. Центральная часть DT-горючего сжимается до плотности 20-50 г/см³ и нагревается до температуры 10 кэВ. Окружающее центральную область DT-горючее сжимается до более высокой плотности (200-500 г/см³) и имеет температуру 0,5-1 кэВ. Образующиеся в результате термоядерной реакции в центре мишени α-частицы передают большую часть своей энергии области горения. Энергия из области зажигания переносится в окружающее термоядерное горючее ударной волной, теплопроводностью и α-частицами. Волна термоядерного горения распространяется на всю массу термоядерного вещества; происходит термоядерный микровзрыв.

В 1991 Н. Г. Басов, С. Ю. Гуськов и Л. П. Феоктистов (Физический институт имени П. Н. Лебедева Академии Наук СССР) предложили схему ЛТС с повышенной энергетической эффективностью, получившую название «быстрое зажигание». Она состоит в разделении процессов нагрева и сжатия мишени за счёт действия на мишень двух энергетических импульсов. Под действием первого импульса (лазерное или рентгеновское излучение) мишень медленно (почти по адиабатическому закону) сжимается до сверхвысоких плотностей 300-500 г/см³ при малом нагреве вещества. Нагрев сжатого горючего вторым энергетическим импульсом обеспечивает термоядерное зажигание от небольшой краевой части горючего. Такой подход значительно снижает энергию, необходимую для сжатия мишени. Длительность зажигающего импульса должна быть равна времени удержания плазмы в области зажигания и составляет 10-30 пс. Эффективным способом быстрого зажигания является нагрев пучком лёгких ионов или электронов с энергией 1-10 МэВ и полной энергией пучка 10-20 кДж. Такие ионы могут быть получены в лазерной плазме при воздействии импульса с интенсивностью 10¹⁹-10²⁰ Вт/см².

Коэффициент термоядерного усиления К (отношение выделившейся термоядерной энергии к энергии лазерного излучения) в схеме ЛТС с одним импульсом может достигать значений около 10², в схеме быстрого зажигания - около 10³. Этого достаточно для создания экономически рентабельной термоядерной электростанции. Схема замкнутого энергетического цикла для термоядерной электростанции на основе ЛТС представлена на рисунке. Энергия лазера в лазерном термоядерном реакторе трансформируется в термоядерную энергию с коэффициентом усиления К. Затем термоядерная энергия преобразуется в электрическую энергию (μК) и в тепловую (1-μ)К (μ - коэффициент преобразования). Часть электрической энергии (1/η, где η - кпд лазера) возвращается в систему для накачки лазера. Энергетический выход в виде электрической энергии составляет μК - 1/η; остальная энергия реализуется в виде теплоты. Для получения отношения электрической энергии к тепловой, равного 0,4 (при р = 0,3 и кпд лазера 10%), необходим коэффициент усиления не менее 85.

Лазер для реактора должен обладать следующими параметрами: энергия - 1-3 МДж; длительность импульса - (2-3)·10^–8 с; λ ≈ 0,25-0,5 мкм; кпд - 7-15%; частота повторения импульсов - 1-10 Гц. Расходимость луча должна быть достаточной для фокусировки её на мишень размером 0,2-1 см при транспортировке энергии на расстояние 30-50 м до камеры реактора. Разрабатываются лазеры с кпд >10%, способные работать с частотой повторения импульсов 10 Гц и более. Тепловая мощность станции при коэффициенте усиления 85 и частоте повторения микровзрывов 3 Гц составит около 1 ГВт.

Реактор представляет собой камеру размером около 5 м, толщина её стенок в зависимости от способа защиты может достигать 1 м. Для станции мощностью 1 ГВт в камере реактора должно происходить несколько термоядерных микровзрывов в секунду с выделением энергии в 250 МДж. В каждом взрыве образуется около 10²⁰ нейтронов. При частоте повторения импульсов 3 Гц поток нейтронов на стенку составляет 10¹⁴ нейтрон/(см²·с).

Реакторная установка включает также систему фокусировки ЛИ, фабрику мишеней для производства около 300 тысяч мишеней в сутки, систему инжекции мишеней и контроля их положения перед облучением, системы преобразования тепловой энергии в электрическую и защиты стенок реактора. Наиболее перспективен вариант жидкометаллической защиты (жидкий литий или жидкий сплав лития и свинца).

Существует также схема размещения в стенках реактора делящихся материалов (уран или торий). Такие реакторы называют гибридными; в них энергетический выход увеличивается в 10 раз (при делении высвобождается энергия 180 МэВ, а при термоядерной реакции 17,6 МэВ), соответственно в 10 раз возрастает полный коэффициент усиления. В гибридном реакторе источником нейтронов является термоядерная вспышка; этот реактор хорошо управляем и безопасен в эксплуатации. За счёт мощного нейтронного потока в нём может быть использован обеднённый уран, отработанное ядерное топливо; такой реактор можно применять для сжигания ядерных отходов, переработки долгоживущих радиоактивных изотопов в менее опасные короткоживущие. При работе гибридного реактора образуется ²³⁹Pu, который можно использовать в обычных АЭС.

Исследования по ЛТС проводятся в России, США, Японии, Великобритании, Франции, Германии, Китае и других странах. Результаты экспериментов обосновывают практическую осуществимость ЛТС: поглощение ЛИ в мишени -до 90%; скорость сжатия оболочки к центру мишени - до 300 км/с, плотность DT-горючего 100 г/см³; температура - до 13 кэВ; нейтронный выход 10¹³ нейтронов. В 2009 введена в действие установка NIF (National Ignition Facility) в Ливерморской национальной лаборатории (США). Лазер на неодимовом стекле производит лазерные импульсы с энергией 4,2 МДж на основной частоте (λ = 1,06 мкм) или 1,8 МДж на 3-й гармонике (λ = 0,351 мкм). Число пучков - 192, длительность импульса - 20 нс. Параметры лазера таковы, что в 2010 году возможно проведение экспериментов по достижению коэффициента усиления около 1-10. Это откроет путь к осуществлению энергетической программы на основе ЛТС. Самый мощный работающий лазер Омега (университет г. Рочестер, США) имеет параметры (2009); число пучков - 60, энергия в импульсе - 30 кДж (λ = 0,351 мкм). На этом лазере получены самые высокие результаты по сжатию мишени. Во Франции создаётся лазер LMJ (Laser Megajoule) с энергией 2 МДж, начало экспериментов планируется в 2012 году. В Европе и Японии развиваются программы HiPER (High Power laser Energy Research) и FIREX (Fast Ignition Realization Experiment), ориентируемые на схему быстрого зажигания, начало экспериментов запланировано на 2015 год.

Лит.: Басов Н. Г., Розанов В. Б., Соболевский Н. М. Лазерный термоядерный синтез в энергетике будущего // Изв. Академии Наук СССР. Энергетика и транспорт. 1975. № 6; Труды Физического института Академии Наук СССР. 1982. Т. 134: Теория нагрева и сжатия низкоэнтропийных термоядерных мишеней / Под редакцией Н. Г. Басова; Басов Н. Г., Лево И. Г., Розанов В. Б. Физика лазерного термоядерного синтеза. М., 1988; Basov N. G., Gus’kov S. Y и, Feoktistov L. Р. Thermonuclear gain of ICF targets with direct heating of the ignitor // Journal of Soviet Laser Research. 1992. Vol. 13. № 5.