ИО́ННЫЙ ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЙ СИ́НТЕЗ

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

Энер­ге­тич. 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 сфе­рич. 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 св. 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 центр. час­ти, от ко­то­рой тер­мо­ядер­ная вол­на го­ре­ния рас­про­стра­ня­ет­ся к внеш­ним сло­ям ми­ше­ни.

Ми­ше­ни пря­мо­го дей­ст­вия в совр. ис­сле­до­ва­ни­ях прак­ти­че­ски не рас­смат­ри­ва­ют­ся, т. к. при пря­мом об­лу­че­нии труд­но реа­ли­зо­вать вы­со­кие тре­бо­ва­ния к од­но­род­но­сти об­лу­че­ния (Q 1%), свя­зан­ные с опас­но­стью воз­ник­но­ве­ния гид­роди­на­мич. не­ус­той­чи­во­сти на гра­ни­це аб­сор­бе­ра и пу­ше­ра.

Рис. 1. Схема облучения мишени со сферическим хольраумом пучками тяжёлых ионов; Eдр – энергия драйвера.

Рис. 2. Сегмент сферической DT-мишени, рассчитанной на поглощение 1 МДж рентгеновского излучения: 1 – абсорбер; 2 – хольраум; 3 – DT-капсула. Приведены химический состав и плотность (г/см3) слоёв мише...

Гл. осо­бен­но­стью ми­ше­ней не­пря­мо­го дей­ст­вия яв­ля­ет­ся про­стран­ст­вен­ное раз­де­ле­ние аб­сор­бе­ра и об­лас­ти ус­ко­ре­ния сфе­рич. обо­лоч­ки DT-то­п­ли­ва; про­стран­ст­во ме­ж­ду аб­сор­бе­ром и DT-кап­су­лой на­зы­ва­ет­ся xольраумом (hohlra­um). Соз­дать сим­мет­рич­ное об­лу­че­ние рент­ге­нов­ским из­лу­че­ни­ем очень слож­но. Эта за­да­ча ре­ша­ет­ся разл. спо­со­ба­ми. В ка­че­ст­ве при­ме­ра на рис. 1 при­ве­де­на схе­ма со сфе­рич. об­лу­че­ни­ем ми­ше­ни ион­ны­ми пуч­ка­ми под разл. уг­ла­ми, пред­ло­жен­ная рос. 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 темп-рой 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 ок. 420–430 МДж при ис­поль­зо­ва­нии ион­ных пуч­ков со сле­дую­щи­ми па­ра­мет­ра­ми: энер­гия 6 МДж, дли­тель­ность им­пуль­са 6 нс, энер­гия ус­ко­рен­ных ио­нов 5–7 ГэВ; ко­эф. тер­мо­ядер­но­го уси­ле­ния ми­ше­ни при­мер­но 80. Др. спо­соб сим­мет­ри­за­ции рент­ге­нов­ско­го об­лу­че­ния кап­су­лы – при­ме­не­ние не­сфе­рич. ми­ше­ней со слож­ной кон­фи­гу­ра­ци­ей.

Для ус­ко­ре­ния ио­нов в драй­ве­ре ис­поль­зу­ют­ся ли­ней­ные ус­ко­ри­те­ли (ЛУ) – ин­дук­ци­он­ные и ре­зо­нанс­ные (см. 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 неск. 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 ко­эф. ком­прес­сии (10³–10⁴) пред­став­ля­ет со­бой слож­ную на­уч.-тех­нич. за­да­чу. Из-за ку­ло­нов­ско­го рас­тал­ки­ва­ния ио­нов серь­ёз­ной про­бле­мой яв­ля­ет­ся так­же фо­ку­си­ров­ка силь­но­точ­ных ион­ных пуч­ков на ма­лую ми­шень (раз­ме­ром в неск. 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 осн. эле­мен­тов и пол­но­го по­ни­ма­ния про­цес­сов в сис­те­мах, из ко­то­рых она со­сто­ит. Ис­сле­до­ва­ния по ИТС про­во­дят мн. на­уч. цен­тры в США, Гер­ма­нии, Рос­сии, Япо­нии и др. стра­нах.