Лазерный термоядерный синтез

Рассмотрим физические принципы лазерного термоядерного синтеза — быстро развивающегося научного направления, в основы которого легли два выдающихся открытия ХХ столетия: термоядерные реакции и лазеры. Термоядерные реакции протекают при слиянии ядер легких элементов. Большое энерговыделение при протекании термоядерных реакций и привлекает внимание ученых из-за возможности их практического применения в земных условиях. Так, термоядерные реакции в крупных масштабах осуществлены в водородной (или термоядерной) бомбе.
Чрезвычайно привлекательной представляется возможность утилизации энергии, выделившейся при термоядерных реакциях для решения энергетической проблемы. Дело в том, что топливом при таком способе получения энергии является изотоп водорода дейтерий (D), запасы которого в Мировом океане практически неисчерпаемы.
Каким способом можно осуществить термоядерную реакцию? Современные исследователи остановились на нагревании вещества до высоких температур (порядка 100 млн градусов). Чем выше температура, тем выше среднекинетическая энергия частиц и тем большее их количество может преодолеть кулоновский барьер.
"Токамак"-10 К настоящему времени сформировались два в значительной мере независимых подхода к решению проблемы управляемого термоядерного синтеза. Первый из них основан на возможности удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы относительно низкой плотности (N приблизительно равно от 10 в 14 степени до 10 в 15 степени куб см) магнитным полем специальной конфигурации в течение сравнительно длительного времени ( Т приблизительно равно 1 в 10 степени сек). К таким системам относится «Токамак» (сокращенно от «тороидальная камера с магнитными катушками»), предложенный в 50-х годах в СССР.
Другой путь импульсный. При импульсном подходе необходимо быстро нагреть и сжать малые порции вещества до таких температур и плотностей, при которых термоядерные реакции успевали бы эффективно протекать за время существования ничем не удерживаемой или, как говорят, инерциально удерживаемой плазмы. Оценки показывают, что, для того чтобы сжать вещество до плотностей 100-1000 г/куб см и нагреть его до температуры Т приблиэительно равно от 5 до 10 кэВ, необходимо создать давление на поверхности сферической мишени (Р приблизительно равно от 5 до 10 в 5 атм).
Впервые идея использования мощного лазерного излучения для нагрева плотной плазмы до термоядерных температур была высказана Н. Г. Басовым и О. Н. Крохиным в начале 60-х годов. К настоящему времени сформировалось самостоятельное направление термоядерных исследований — лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Микросфера, наполненная термоядерным топливом, со всех сторон «равномерно» облучается многоканальным лазером. В результате взаимодействия греющего излучения с поверхностью мишени образуется горячая плазма с температурой несколько килоэлектронвольт (так называемая плазменная корона), разлетающаяся навстречу лучу лазера с характерными скоростями от 10 в 7 степени до 10 в 8 степени см/сек. В современных модельных экспериментах на уровне энергий лазерного излучения 10-100 кДж удается достичь высоких ( приблизительно 90%) коэффициентов поглощения греющего излучения.
В настоящее время интенсивно разрабатывается элементная база и создаются проекты лазерных установок мегаджоульного уровня. В Ливерморской лаборатории начато создание установки на неодимовом стекле с энергией Е=1,8 МДж. Стоимость проекта составляет 2 млрд долларов.
Для реактора на основе лазерного термоядерного синтеза необходимо, однако, создание лазера мегоджоульного уровня, работающего с частотой повторения в несколько герц. В ряде лабораторий исследуются возможности создания таких систем на основе новых кристаллов. Запуск опытного реактора по американской программе планируется на 2025 год.

Источник:

А. С. Шиканов «Лазерный термоядерный синтез». Опубликовано в Соросовском образовательном журнале номер 8, 1997 г.

Иллюстрации:

Институт ядерного синтеза, Российский научный центр "Курчатовский институт"