§ 2. ВОЗМОЖНОСТИ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМОЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Рассмотрим вкратце оценки, выполненные Малсером и др. [2]. До сих пор в большинстве работ для удержания горячей плазмы применяли магнитное поле. Очевидно, что слишком быстрое расширение плазмы, поглотившей в начальный момент почти всю энергию лазерного пучка, приводит к ее охлаждению, а значит, и к уменьшению плотности энергии. В последнее время обсуждается несколько иной способ получения термоядерной энергии. Пред-. ставим себе маленький шарик из смеси твердых дейтерия и трития который быстро вбрасывается в высоковакуумную камеру, где на него воздействует лазерный импульс с плотностью мощности порядка . В момент начала термоядерной реакции происходит взрывное расширение материала шарика, что приводит к затуханию реакции. Таким образом, лазерные вспышки могут обеспечить импульсную термоядерную реакцию. Выделяющуюся в камере энергию можно отводить с помощью известных систем охлаждения. Мощность термоядерного реактора легко контролировать, меняя частоту повторения лазерных импульсов. Достоинство такого реактора состоит в том, что энергия, выделяющаяся в одном импульсе, невелика; поэтому вакуумная камера не должна быть слишком большой.

Для проведения количественных оценок предположим, что шаровидная мишень целиком поглощает энергию лазерного импульса. Пусть плотность материала мишени равна .

Для осуществления термоядерной реакции мишень необходимо быстро нагреть до ядерной физике и физике плазмы вместо температуры Т чаще используют произведение измеряемое в электронвольтах). В мишени происходит реакция

где - энергия, выделяющаяся в единичном процессе и складывающаяся из кинетических энергий и . Если число атомов и Т в единице объема равно то в за 1 с выделяется энергия где — усредненное произведение эффективного поперечного сечения реакции и скорости (которая определяется распределением Максвелла при данной температуре Т). Чтобы температура плазмы достигла значения Т, единичный объем плазмы должен получить энергию Прирост энергии при реакции определяют как отношение энергии, выделившейся за время к подведенной энергии:

Это выражение записывают в форме критерия Лоусона:

Правая часть в этом выражении заметно зависит от температуры. При получаем . Допустим, что мишень имела вначале радиус Время жизни мишени в условиях интенсивного разогрева лазерным импульсом зависит от скорости волны разрежения.

Положим

Здесь означает среднюю массу ионов, — скорость упругой волны в условиях полной ионизации плазмы. Подставляя выражение (30.3) в (30.2), получаем

откуда начальная энергия Е равна

Минимальная начальная энергия будет зависеть от значения члена Принимая для значение получаем для шарика из смеси дейтерия и трития (средняя масса ионов

Из формул (30.6) следует, что должно быть возможно больше. При и минимальная энергия (пороговая) зависит от Поэтому если отношение энергии термоядерной реакции к входной энергии должно быть равно 10, то входная энергия должна в 103 раз превышать пороговую энергию реакции. Заметим также, что время жизни мишени (а точнее, шаровидного облака дейтериевой и три тиевой плазмы) прямо пропорционально Разумеется, приведенные выше оценки являются очень упрощенными. Результаты различных авторов достаточно сильно отличаются друг от друга. Оценки пороговой энергии, необходимой для осуществления термоядерной реакции, колеблются в пределах примерно от 106 до 1010 Дж. Чтобы получить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию в твердой смеси дейтерия и трития, начальная (пороговая) энергия должна быть порядка 109—1010 Дж. Если, например, мы хотим получить прирост энергии 103, то в одном импульсе должна освобождаться энергия 1012 Дж (как при взрыве 100 т. тротила).

Весьма обширный обзор отечественных и зарубежных достижений в области лазерного нагрева плазмы представили на VI Конференции по квантовой электронике и нелинейной оптике в Познани в 1974 г. Калиский, Денус и Янкевич [14]. Вкратце проблема заключается в том, что подвергаемая воздействию лазерного импульса мишень (плазма) имеет столь малую плотность, что импульсы даже самых мощных из существующих лазеров не могут возбудить энергетически выгодную термоядерную реакцию. Таким образом, решение этой сложной проблемы заключается не в гигантском увеличении энергии лазерных импульсов, а в поисках совершенно нового механизма нагрева плазмы.. Новое решение предложили независимо Наколз с сотрудниками [15], Брукнер [16] и Калиский [17]. Предложенный ими процесс складывается из двух фаз. Сначала концентрическая система лазерных пучков создает вокруг шарика из дейтериево-тритиевой смеси плазменную оболочку, сильно поглощающую лазерное излучение. Затем с помощью лазерного импульса соответствующей формы происходит интенсивный нагрев материала шарика, что вызывает резкое расширение внешней оболочки. В соответствии с законом сохранения импульса (принцип отдачи) формируются ударные волны сжатия, сходящиеся в центре мишени. Они могут привести к увеличению плотности

Рис. 30.9. Система типа «плазменный фокус» в комбинации с мощным лазерным пучком, примененная Калиским для генерации нейтронов в высокотемпературной области плазменного фокуса. Плазменный разряд обычно осуществляется в смеси дейтерия и трития под давлением порядка нескольких мм рт. ст. В фокусе давление возрастает до нескольких сотен мм рт. ст.

твердой мишени в раз. Это обеспечивает реальную возможность инициирования и поддержания термоядерного микросинтеза, поскольку минимальная энергия реакции (см. (30.6) .

Другим решением, которое подробно обсуждается в работе Калиского, является лазерный нагрев плазмы с последующим ее сжатием с помощью взрыва или магнитогидродинамических сил. Последний вариант можно реализовать, например, с помощью системы типа «плазменного фокуса» (рис. 30.9). В этой системе происходит одновременный разряд батареи конденсаторов между двумя концентрическими металлическими кольцами (диаметры колец: внутреннего — около 5 см, внешнего — около 15 см). Благодаря действию магнитогидродинамических сил на оси колец возникает плазменный фокус, который освещается очень мощным лазерным импульсом.

Новейшие достижения в области лазерного термоядерного синтеза были представлены на VIII Международной конференции, организованной Калиским в Рыне под Варшавой в мае 1975 г. В докладах исследовательских групп из СССР, США, Франции, ФРГ и Польши рассмотрены теоретические и экспериментальные проблемы, связанные с осуществлением лазерного термоядерного синтеза. В большинстве исследовательских центров в качестве мишени для лазерных импульсов применяется маленький баллончик из стекла или пластмассы, наполненный смесью дейтерия и трития (рис. 30.10). Диаметр баллончика обычно составляет от 100 до 200 мкм, а толщина стенок — от 0,2 до 1 мкм! Изготовление таких баллончиков и их наполнение газом под давлением 175 атм представляет собой подлинный венец искусства эксперимента.

Рис. 30.10. Схема вакуумной камеры, в которой устанавливается мишень в виде микробаллончика из стекла или пластмассы, заполненного смесью дейтерия и трития.

Размеры баллончика порядка 100 мкм, т. е. сравнимы с диаметром фокуса лазерного пучка. В части (б) рисунка показано интересное решение в виде двух эллиптических зеркал, которые обеспечивают почти однородное освещение мишени. Щель между зеркалами служит для наблюдения эволюции плазмы, а также для регистрации рентгеновского излучения и нейтронов

Иногда баллончик заполняют твердой смесью дейтерия и трития. Целью этих ухищрений является достижение возможно большей исходной плотности материала мишени. Научные программы основных центров, ведущих исследования по лазерному термоядерному синтезу, направлены, с одной стороны, на применение чрезвычайно мощных лазерных импульсов, а с другой — на достижение максимального сжатия вещества мишени. Например, в Лоуренсовской лаборатории (Ливермор, США) создается лазер с выходной мощностью (рис. 30.11). В американском атомном центре Лос-Аламос создан лазер на с энергией 2,5 кДж в наносекундном световом импульсе. Планируется увеличить эту энергию до 100 кДж. В Институте физики плазмы им. Макса Планка (Гаршинг, ФРГ) запущен йодный лазер (активное вещество — мкм) с энергией в импульсе 300 Дж и длительностью 1 не. Подобный лазер создан в лаборатории Басова в Москве; его выходная энергия составляет 700 Дж. В той же лаборатории создается гигантский лазер на неодимовом стекле, который будет иметь 216 усилительных активных элементов! В Институте им. Калиского в Варшаве реализуется программа, предполагающая совместное использование системы типа «плазменный фокус» и лазерного пучка, либо начальное сжатие материала мишени. С помощью первой установки, в которой энергия разряда в плазме составляла 150 кДж, а энергия импульса лазера на , получены нейтроны в количестве в единичном импульсе [19]. В Институте квантовой электроники под руководством Пузевича [20] создан молекулярный лазер на Создаются мегаджоульная установка типа «плазменный фокус» [21], а также лазер с энергией в импульсе порядка нескольких килоджоулей и длительностью около 1 не. Для изучения рентгеновского излучения плазмы в последнее время применяют камеры с точечной

(кликните для просмотра скана)

диафрагмой (pin-hole camera) или камеры с линейной разверткой, подробно описанные в гл. 27. Поскольку фотокатод камеры реагирует на свет, необходимы специальные меры для придания ему чувствительности к рентгеновскому излучению. В указанной камере высокая разрешающая способность достигается с помощью диафрагм диаметром около 1 мкм.

Хотя управляемый лазерный термоядерный синтез, по-видимому, представляет собой вполне разрешимую задачу, вряд ли ее практическое решение будет достигнуто в ближайшее время. Следует отметить серьезные успехи польских ученых в этой чрезвычайно интересной области (см. также книгу Калиского [22]).

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)