Физика

НА ПУТИ К ЛАЗЕРНОМУ ТЕРМОЯДУ

Одной из наиболее известных концепций управляемого термоядерного синтеза является ЛТС - лазерный термоядерный синтез. Впервые она была высказана в начале 60-х годов одним из авторов настоящей статьи, будущим лауреатом Нобелевской премии академиком Н. Г. Басовым.

Ее суть: при помощи лазерного излучения можно нагреть горючее (изотопы водорода - дейтерий, либо смесь дейтерия с тритием) настолько интенсивно и за столь короткое время, что, пока вещество не разлетелось, в нем начнется термоядерная реакция - синтез ядер гелия. Подсчитано, что выделившаяся при этом энергия превысит затраченную на разогрев и неизбежные при этом потери, если температура плазмы достигнет примерно 100 млн. С, а произведение плотности горючего на время протекания реакции превысит некоторую критическую величину порядка 10 14 см 3 с (так называемый критерий Лоусона). А для промышленного реактора необходим еще более жесткий режим - "горение", когда реакция может сама себя поддерживать за счет собственной выделяемой энергии. Поэтому поначалу считалось, что исходное вещество должно быть как можно более плотным - не газом, а замороженным до сверхнизких температур водородным "льдом".

Энергостанция, основанная на такой идее, должна представлять собой лазер (или систему лазеров), который облучает некую мишень, содержащую термоядерное топливо (чаще всего это стеклянная или пластиковая капсула шарообразной формы). Энергия нейтронов, выделившихся в результате термоядерной реакции, преобразуется в электричество по стандартной схеме, применяющейся на АЭС.

В 60-х годах основным направлением термоядерных исследований ФИАНа стал ЛТС. В лаборатории квантовой радиофизики были созданы мощные (10 10 Вт) по тем временам лазеры и проведены разнообразные эксперименты по взаимодействию лазерного излучения с веществом при плотностях потока на поверхности мишени 10 6 : 10 9 Вт/см 2 - в миллионы раз больше, чем может обеспечить самый мощный прожектор. Для осуществления термоядерной реакции этого было недостаточно. Плотности потока следовало увеличить на 4-5 порядков, но сначала нужно было понять, что представляет собой "лазерная" плазма, что происходит в ней при взаимодействии с лазерным излучением, как она разлетается, из каких частиц состоит и как ее исследовать.

Проводились, например, такие эксперименты: твердую мишень облучали лазерным светом и наблюдали, как ионизируются атомы данного элемента, сколько электронов они теряют. Исследовалось излучение образующихся при этом многозарядных ионов (высокоионизированных атомов), по которому можно определять температуру, плотность и другие характеристики плазмы, что очень важно для диагностических измерений. Детально изучив спектры для различных элементов периодической системы Д. И. Менделеева, ученые получили возможность познавать процессы взаимодействия лазерного излучения с термоядерной плазмой.

В первых экспериментах по нагреву плазмы температура и плотность были существенно ниже, чем требовалось для термоядерной реакции. Только в 1968 г. ученые ФИАНа впервые в мире зафиксировали термоядерные нейтроны при облучении мишени издейтерированного лития (соединение лития с дейтерием - LiD) лазерными импульсами длительностью порядка 10-11с. Критерия Лоусона физики не достигли, однако теперь у них было чем и что измерять...

Чтобы ЛТС стал источником энергии, надо не только нагреть плазму, но и сжать ее до плотностей, в десятки-сотни раз превышающих плотность твердого тела. Для этого в ФИАНе были начаты исследования по сферическому нагреву плазмы лазерным излучением с последующим сжатием мишени. Внешние слои мишени при таком методе нагреваются до температур в десятки миллионов градусов и испаряются - ее поверхность как бы взрывается. Этот процесс быстрого испарения-взрыва называется абляцией. Возникает реактивный импульс давления, сжимающий внутреннюю, еще не нагретую часть плазмы, и происходит так называемое абляционное сжатие. Нагрев должен быть, насколько это возможно, равномерным по всей поверхности мишени. Поэтому следовало экспериментально и теоретически разработать сферический метод нагрева и сжатия плазмы, имеющей форму шара.

Впервые в мире термоядерные мишени со сферической геометрией стали исследовать в 1972 г. в ФИАНе с помощью девятиканальной мощной установки с лазером на неодимовом стекле, позднее названной "Кальмар". Она обеспечила рекордные по тому времени энергетические параметры и дала возможность получить приоритетные результаты по сжатию горючего до плотности 8 г /см 2 и достижению термоядерных температур (порядка 10 млн. С) и генерации нейтронов.

Чтобы "запустить" термоядерную реакцию "ключом" сферического нагрева, не следует беспредельно увеличивать мощность лазерного пучка. Повышать ее сверх некоторого предела даже вредно - при таком облучении в поверхностном слое мишени генерируется мощный поток рентгеновского излучения и "горячих" (высокоэнергетичных) электронов. Во- первых, на это может уходить значительная часть лазерной энергии. Во-вторых, рентгеновские кванты и электроны нагревают ядро мишени раньше времени, вследствие чего необходимая степень сжатия мишени становится недостижимой.

Наибольшие плотности потока лазерного излучения на поверхности мишени у сегодняшних установок для нагрева плазмы велики - порядка 10 16 -10 17 Вт/см 2 . Они значительно выше необходимых значений. Нужны режимы облучения, позволяющие зажигать плазму при умеренных плотностях потока, - порядка сотен тысяч миллиардов ватт на квадратный сантиметр площади мишени.

Исследования показали, что сжатию мишени препятствуют два фактора: во-первых, уже упомянутый преждевременный нагрев горючего на стадии облучения и, во-вторых, отклонения от идеальной сферической симметрии, возникающие как на стадии изготовления мишени, так и при ее облучении. Вторая проблема, как оказалось, достаточно сложна, но решаема. Например, можно делать мишень с минимальными отклонениями от сферической и увеличивать число пучков в лазерной установке.

Что касается первой проблемы - предварительного нагрева горючего, то здесь есть различные пути ее решения. Концепция, разработанная в начале 70-х годов сотрудниками ФИАНа и Института прикладной математики АН СССР, базировалась на том, что к параметрам лазерного импульса (его длительности, форме, мощности потока и т.д.) предъявляли умеренные требования, а однородность сжатия и нагрев горючего достигали за счет усложнения структуры мишени. Было предложено изготовлять мишень в виде тонкой оболочки, заполненной горючим, теперь уже не обязательно "льдом". Эта оболочка состояла из нескольких слоев, что обеспечивало хорошее поглощение лазерного излучения и высокие скорости сжатия. Плюс к тому отдельный слой изолировал внутренние слои горючего от возможного преждевременного нагрева проникающим излучением. При таком подходе сжатию и нагреву подвергалась большая часть горючего, чем в случае профилированного импульса. Многооболочечная мишень позволяет, в принципе, получать энергию, в сотни, а то и тысячи раз превышающую затраченную на нагрев.

Умеренные мощности лазера и специальная оболочка препятствовали преждевременному нагреву: "горячие" электроны практически не возникали, а "жесткое" рентгеновское излучение было незначительным. Метод назвали "режимом низкоэнтропийного сжатия". Однако и в нем было много сложностей. Главное, что требовалось, - обеспечить симметрию процесса сжатия. Ведь стоит в одном только месте ослабнуть или, наоборот, возрасти абляционному давлению, как плазма вырвется из лазерных тисков, не успев ни нагреться, ни сжаться до требуемой степени.

В то время многие ученые считали невозможным устойчивое сжатие мишеней с тонкими оболочками (толстые здесь нежелательны - они медленно охлопываются и недостаточно сильно сжимают плазму). Поэтому предстояло экспериментально и теоретически обосновать концепцию, оптимизировать ее и развить. Эти работы продолжались с 1975 по 1984 г.

Вместе с учеными Института прикладной математики АН СССР, руководимыми академиками А. Н. Тихоновым и А. А. Самарским, теоретики ФИАНа начали разрабатывать для ЭВМ программы, моделирующие процессы в мишени. Вкупе с экспериментами они помогли основательнее разобраться в физике лазерной плазмы и понять, какие процессы существенно влияют на сжатие, нагрев мишеней и ход термоядерной реакции, а какими можно пренебречь.

Первые эксперименты по низкоэнтропийному сжатию вели на уже упомянутом "Кальмаре". Параллельно проектировали установку следующего поколения - "Дельфин". Она была значительно мощнее, с большим количеством каналов, лучше приспособлена для исследований по сжатию более масштабных и сложных мишеней.

На "Кальмаре" также разрабатывали принципиально новые методы и устройства диагностики мишеней. В ФИАНе, например, были созданы устройства, способные измерять параметры плазмы с термоядерной температурой, плотностями 10 19 - 10 25 частиц на 1 см 3 при пространственном разрешении 1 - 10 мк и временном - 10 -10 -10 -9 с. Диагностические комплексы и элементы лазерной схемы для "Кальмара" и будущей установки "Дельфин" проектировали и строили совместно с Центральным институтом оптики и спектроскопии АН ГДР, Йенским университетом им. Ф. Шиллера (ГДР), Институтом физики плазмы и лазерного микросинтеза (ПНР).

Исключительно важны были и работы по созданию мишеней в нейтронно-физической лаборатории ФИАНа. Что такое современная лазерная термоядерная мишень? Термоядерное горючее, заключенное в шаровой оболочке из различных материалов. Ее радиус 100 - 1000 мк, а толщина стенок составляет 0,3 - 5 % от радиуса. Чтобы сжатие было устойчивым, допуски на однородность, равнотолщинность и сферичность изготовления мишени не должны превышать одного процента.

Исследования, выполненные в ФИАНе, развеяли скептицизм в отношении возможностей добиться устойчивого сжатия плазмы. Были найдены факторы, стабилизирующие этот процесс. Среди них - высокая теплопроводность оболочки, позволяющая "размазать" получаемое от лазера тепло по всей ее поверхности и тем самым уменьшить неоднородность нагрева. Убедительным доказательством возможности устойчивого сжатия явилось экспериментальное наблюдение на установке "Кальмар" тысячекратного объемного сжатия термоядерного горючего (в данном случае - газообразного дейтерия с исходным давлением 36 атм) до плотности порядка 8 г/см 3 . При этом с запасом выполнялся критерий удержания: произведение плотности плазмы на время удержания достигло значения около 5  Ю 14 с/см 3 . Правда, при температуре все еще на порядок ниже, чем необходимо, и при размерах мишени меньших, чем требуется для самоподдерживающегося термоядерного выгорания горючего.

Ученые предлагают повысить устойчивость при помощи более сложных мишеней. И в ФИАНе впервые осуществили сжатие двухкаскадных оболочечных мишеней (полистирол-вакуум- стеклогорючее). Передача энергии ударом внешней, облучаемой лазером, оболочки по внутренней улучшает сферическую симметрию нагрева и сжатия.

В конце 1981 г. в лаборатории лазерной плазмы ФИАНа заработала одна из крупнейших в мире лазерных термоядерных установок "Дельфин-1", и начался первый этап программы "Дельфин": создание в ФИАНе мощных многоканальных лазерных установок на неодимовом стекле. 108 лазерных пучков диаметром по 45 мм каждый были скомпонованы в шесть групп и обеспечивали сферически симметричный нагрев мишеней по шести направлениям излучения при уровне лазерной энергии в несколько килоджоулей. Цель исследований - изучение проблем нагрева и сжатия мишеней в низкоэнтропийном режиме. Работа на уровне лазерной энергии в десятки килоджоулей позволит, думается, достичь сжатия термоядерного горючего примерно в 30 г/см 3 при температуре плазмы, достаточной для получения значительного энергетического выхода (не менее Ю 10 нейтронов за импульс).

В 1982 - 1984 гг. эксперименты на установке "Дельфин-1" вели на уровне энергии до 2 кДж и плотности потока лазерного излучения до 10 14 Вт/см 2 . Исследовались так называемые высокоаспектные мишени, аспектное отношение которых (отношение радиуса мишени к толщине оболочки) было больше 100. Решалась главная задача - изучалась возможность устойчивого сжатия таких мишеней в низкоэнтропийном режиме. И результаты оказались весьма важными: оболочки с аспектным отношением 150 - 250 охлопывались со скоростью до 300 км/с и сжимали плазму в 3,5 тыс. раз. Выяснилось, что велична сжатия уменьшается с сокращением длительности фронта лазерного импульса, а также при аспектном отношении больше 250.

На "Дельфине-1" отношение поглощенной энергии к падающей (коэффициент поглощения) достигло 50 %, причем было показано, что оно растет с увеличением лазерной энергии - в соответствии с так называемым классическим механизмом поглощения, который предсказывается теоретиками как основной для условий лазерного термоядерного реактора. Итак, экспериментальные результаты совпали с теоретическими, что дает возможность прогнозировать почти стопроцентное поглощение лазерного излучения в реакторных условиях.

В одной статье невозможно рассказать о многочисленных научных результатах этих исследований. Оказалось, например, что во время сжатия в мишени могут возникнуть сверхсильные магнитные поля (10 - 10 гаусс), способные влиять на режим протекания термоядерных реакций и, в частности, закручивать альфа-частицы (ядра гелия, возникающие в результате синтеза изотопов водорода) и удерживать их в зоне горения. В итоге та энергия, которую альфа-частицы унесли бы с собой, при некоторых условиях может частично пойти на поддержание реакции, что чрезвычайно облегчает задачу будущего реактора - произвести максимальное количество энергии при минимальных ее затратах. Любопытно, что эти магнитные поля возникают в сферической мишени вследствие развития неустойчивостей при сжатии. Так неблагоприятный эффект может оказаться полезным.

Другой пример: даже в относительно скромных по масштабу экспериментах (лазерная энергия порядка 1 кДж) испаренное вещество мишени разлетается с огромными скоростями - до 1000 км/с. А на стадии термоядерного взрыва ожидается возникновение и вовсе уникальных условий - сверхвысоких давлений до 1014 атм и температур свыше миллиарда градусов. Получать и, главное, изучать вещество с такими параметрами раньше не представлялось возможным. Подобные исследования представляют интерес для специалистов самых разных областей науки и техники. А лазерная плазма как мощный источник ионов, нейтронов, рентгеновского излучения, несомненно, будет и объектом, и инструментом дальнейших экспериментов. Так лазерным сжатием мишеней моделировались ранние стадии развития Земли.

Работы сотрудников ФИАНа в области низкоэнтропийного сжатия высоко оцениваются в мире. Эксперименты в этом режиме были проведены в США на два года позднее, чем в СССР. В настоящее время советская концепция является общепризнанной, и большинство экспериментов в мире по прямому лазерному воздействию на термоядерные мишени проводится именно по ФИАНовской схеме.

Впереди еще очень много проблем. Надо продолжать работы по исследованию устойчивости сжатия мишеней с высоким аспектным отношением. Не до конца ясно, как бороться с генерацией быстрых частиц, ухудшающих сжатие и уносящих значительное количество энергии лазерного излучения. Не разработана пока и оптимальная конструкция мишеней, у которых нейтронный выход был бы наибольшим. Экспериментально не достигнут физический порог термоядерного горения, когда реакция становится самоподдерживающейся. Наконец, не решен ряд вопросов физики термоядерного горения.

Следующий шаг - проектирование реактора. Нужно продолжать изучение физики реакторной плазмы, автоматизировать управление лазерами, совершенствовать сами лазеры и проектировать на их основе установки на энергию 10 5 -10 6 Дж, предназначенные уже непосредственно для реактора.

В начале 80-х годов исследователи ФИАНа стали изучать требования к параметрам лазера, способного действовать в режиме, необходимом для реактора. Требования весьма жесткие: за 10-20 наносекунд (столько будет длиться лазерный импульс) установка должна дать 3-5 мегаджоулей энергии. Если учесть, что она будет состоять из нескольких десятков лазеров (каналов), то энергия каждого должна превышать 100 кДж. При этом необходимо сфокусировать излучение на мишень размером около 1 см с расстояния 30 - 50 м, функционировать с частотой до 10 Гц, сохранять работоспособность в течение года, иметь достаточно низкую стоимость. Современные неодимовые лазеры отвечают всем этим требованиям, но у них низкий кпд - порядка 1 %. Из других существующих лазеров (на СО 2 , KrF, HF, СО) наиболее привлекателен по техническим характеристикам СО 2 -лазер. Однако у него есть существенный недостаток - большая длина волны (10,6 мк). При взаимодействии такого излучения с мишенью на ее поверхности будут генерироваться "горячие" электроны. Как с ними бороться?

Наличие быстрых частиц в лазерной плазме чревато предварительным нагревом ядра мишени, ухудшением сжатия. Но, как показывают расчеты, при определенных условиях энергию быстрых частиц можно использовать для нагрева и сжатия термоядерного горючего. Оказалось, можно отыскать такие условия облучения, такую структуру оболочки, что предварительный прогрев будет умеренным и не только не ухудшит условия сжатия мишени, но, наоборот, улучшит их. Правда, отыскать оптимальные условия весьма сложно. Сейчас они - предмет интенсивных исследований.

Решая сегодняшние задачи, думая о завтрашних, физики ФИАНа не забывают и о конечной цели своих исследований - промышленном термоядерном реакторе. В начале 70-х годов здесь была рассмотрена его первая (в СССР) концептуальная схема. В 1975 г. разговор шел уже о различных типах реакторов: чисто термоядерном, гибридном, где используется и реакция синтеза, и реакция деления тяжелых ядер, и, наконец, о реакторе-производителе химического топлива - свободного водорода.

Несколько слов о гибридном реакторе. В общем случае это термоядерный реактор любого типа, окруженный бланкетом из делящегося вещества, например, урана. В нем нейтроны от реакции синтеза являются "затравкой", инициирующей цепную реакцию. Требования к температуре плазмы и параметрам ее удержания не такие жесткие, как в чисто термоядерном устройстве.

По сравнению с другими термоядерными установками лазерная привлекательна своими малыми размерами - имеется в виду сама камера, а не лазеры, которые механически с ней не связаны и могут быть вынесены за пределы реактора. Ведь чем меньше размеры установки, тем меньше поверхность бланкета, и тем выше плотность потока падающих на него термоядерных нейтронов. Стало быть, тем эффективнее работа реактора.


Академик Н. Г. БАСОВ, директор Физического института АН СССР, Кандидат физико-математических наук Ю. А. МИХАЙЛОВ, Доктор физико-математических наук В. Б. РОЗАНОВ, Доктор физико-математических наук Г. В. СКЛИЗКОВ.й

Самая свежая информация интерскол шуруповерт у нас на сайте.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD