ЛА́ЗЕРНЫЙ ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЙ СИ́НТЕЗ

ЛА́ЗЕРНЫЙ ТЕРМОЯ́ДЕРНЫЙ СИ́НТЕЗ (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 Н. Г. Ба­со­вым и О. Н. Кро­хи­ным.

Ис­точ­ни­ком тер­мо­ядер­ной энер­гии яв­ля­ет­ся гл. обр. 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 темп-рой и мак­си­маль­на при темп-ре ок. 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).

Схема замкнутого энергетического цикла с использованием лазерного термоядерного синтеза.

ЛТС за­клю­ча­ет­ся в пе­рио­дич. осу­ще­ст­в­ле­нии в ка­ме­ре ре­ак­то­ра тер­мо­ядер­ных мик­ро­взры­вов ми­ше­ней под дей­ст­ви­ем им­пуль­сов ла­зер­но­го из­лу­че­ния (ЛИ). Ла­зер­ная ми­шень пред­став­ля­ет со­бой по­лую сфе­ру, имею­щую неск. сло­ёв разл. функ­цио­наль­но­го на­зна­че­ния. Внеш­ний слой (аб­ля­тор) пред­на­зна­чен для по­гло­ще­ния воз­дей­ст­вую­ще­го из­лу­че­ния и соз­да­ния дав­ле­ния, сжи­маю­ще­го ми­шень к цен­тру; сле­дую­щий слой ак­ку­му­ли­ру­ет ки­не­тич. энер­гию при дви­же­нии к цен­тру сим­мет­рии, да­лее рас­по­ла­га­ют­ся теп­ло­изо­ли­рую­щие слои, пре­до­хра­няю­щие внутр. слой тер­мо­ядер­но­го го­рю­че­го в ви­де DТ-льда от пред­ва­ри­тель­но­го про­гре­ва. Ми­шень долж­на иметь темп-ру все­го лишь 10–15 К. Сум­мар­ная тол­щи­на сло­ёв в 10–30 раз мень­ше ра­диу­са ми­ше­ни (2–3 мм). Мас­са та­кой ми­ше­ни со­став­ля­ет неск. де­сят­ков мг, а мас­са DТ-го­рю­че­го – ок. 1 мг. Ла­зе­ры обес­пе­чи­ва­ют кон­цен­тра­цию мощ­но­сти вплоть до 10²² Вт/см³, ко­то­рая спо­соб­на сжать сфе­рич. ми­шень до плот­но­сти, в 10²– 10³ раз пре­вы­шаю­щей плот­ность ме­тал­лов, и на­греть до темп-ры 10 кэВ. Энер­гия ла­зе­ра, не­об­хо­ди­мая для за­жи­га­ния та­кой ми­ше­ни, со­став­ля­ет неск. 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 $\lambda \leq 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 ци­лин­д­рич. кон­тей­нер из ме­тал­ла с боль­шим атом­ным но­ме­ром. Че­рез от­вер­стия в тор­цах кон­тей­не­ра из­лу­че­ние фо­ку­си­ру­ет­ся на внутр. стен­ках, на­гре­ва­ет их, об­ра­зуя при­сте­ноч­ную плаз­му с темп-рой в неск. со­тен эВ. Ок. 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 ср. ин­тен­сив­но­стью ок. 10¹⁴ Вт/см², воз­дей­ст­вуя на ми­шень, ис­па­ря­ет ве­ще­ст­во аб­ля­то­ра, ионизует его и пре­вра­ща­ет в плаз­му с темп-рой 1 кэВ и плот­но­стью ne≈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 т. н. аб­ля­ци­он­но­го дав­ле­ния, ко­то­рое скла­ды­ва­ет­ся из те­п­ло­во­го и ре­ак­тив­но­го дав­ле­ний раз­ле­таю­щей­ся плаз­мы. Под дей­ст­ви­ем это­го дав­ле­ния ($\geq$10¹¹ Па) не­ис­па­рив­шая­ся часть ми­ше­ни дви­жет­ся к цен­тру сим­мет­рии со ско­ро­стью в неск. 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. Центр. часть DТ-го­рю­че­го сжи­ма­ет­ся до плот­но­сти 20–50 г/см³ и на­гре­ва­ет­ся до темп-ры 10 кэВ. Ок­ру­жаю­щее центр. об­ласть DТ-го­рю­чее сжи­ма­ет­ся до бо­лее вы­со­кой плот­но­сти (200–500 г/см³) и име­ет темп-ру 0,5–1 кэВ. Об­ра­зую­щие­ся в ре­зуль­та­те тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции в цент­ре ми­ше­ни α-час­ти­цы пе­ре­да­ют б. ч. 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 (Фи­зич. ин-т им. П. Н. Ле­бе­де­ва АН СССР) пред­ло­жи­ли схе­му ЛТС с по­вы­шен­ной энер­ге­тич. эф­фек­тив­но­стью, по­лу­чив­шую назв. «бы­строе за­жи­га­ние». Она со­сто­ит в раз­де­ле­нии про­цес­сов на­гре­ва и сжа­тия ми­ше­ни за счёт дей­ст­вия на ми­шень двух энер­ге­тич. им­пуль­сов. Под дей­ст­ви­ем пер­во­го им­пуль­са (ла­зер­ное или рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние) ми­шень мед­лен­но (поч­ти по адиа­ба­тич. за­ко­ну) сжи­ма­ет­ся до сверх­вы­со­ких плот­но­стей 300–500 г/см³ при ма­лом на­гре­ве ве­ще­ст­ва. На­грев сжа­то­го го­рю­че­го вто­рым энер­ге­тич. 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.

Ко­эф. тер­мо­ядер­но­го уси­ле­ния K (от­но­ше­ние вы­де­лив­шей­ся тер­мо­ядер­ной энер­гии к энер­гии ла­зер­но­го из­лу­че­ния) в схе­ме ЛТС с од­ним им­пуль­сом мо­жет дос­ти­гать зна­че­ний ок. 10², в схе­ме бы­ст­ро­го за­жи­га­ния – ок. 10³. Это­го дос­та­точ­но для соз­да­ния эко­но­ми­че­ски рен­та­бель­ной тер­мо­ядер­ной элек­тро­стан­ции. Схе­ма замк­ну­то­го энер­ге­тич. цик­ла для тер­мо­ядер­ной элек­тро­стан­ции на ос­но­ве ЛТС пред­став­ле­на на рис. Энер­гия ла­зе­ра в ла­зер­ном тер­мо­ядер­ном ре­ак­то­ре транс­фор­ми­ру­ет­ся в тер­мо­ядер­ную энер­гию с ко­эф. уси­ле­ния K. За­тем тер­мо­ядер­ная энер­гия пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­трич. энер­гию (μK) и в те­п­ло­вую (1-μ)K (μ  – ко­эф. пре­об­ра­зо­ва­ния). Часть элек­трич. энер­гии (1/η, где η – кпд ла­зе­ра) воз­вра­ща­ет­ся в сис­те­му для на­кач­ки ла­зе­ра. Энер­ге­тич. вы­ход в ви­де элек­трич. энер­гии со­став­ля­ет μK-1/η; ос­таль­ная энер­гия реа­ли­зу­ет­ся в ви­де те­п­ло­ты. Для по­лу­че­ния от­но­ше­ния элек­трич. энер­гии к те­п­ло­вой, рав­но­го 0,4 (при μ = 0,3 и кпд ла­зе­ра 10%), не­об­хо­дим ко­эф. 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 O 10%, спо­соб­ные ра­бо­тать с час­то­той по­вто­ре­ния им­пуль­сов 10 Гц и бо­лее. Те­п­ло­вая мощ­ность стан­ции при ко­эф. уси­ле­ния 85 и час­то­те по­вто­ре­ния мик­ро­взры­вов 3 Гц со­ста­вит ок. 1 ГВт.

Ре­ак­тор пред­став­ля­ет со­бой ка­ме­ру раз­ме­ром ок. 5 м, тол­щи­на её сте­нок в за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба за­щи­ты мо­жет дос­ти­гать 1 м. Для стан­ции мощ­но­стью 1 ГВт в ка­ме­ре ре­ак­то­ра долж­но про­ис­хо­дить неск. тер­мо­ядер­ных мик­ро­взры­вов в се­кун­ду с вы­де­ле­ни­ем энер­гии в 250 МДж. В ка­ж­дом взры­ве об­ра­зу­ет­ся ок. 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 про­из-ва ок. 300 тыс. 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 жид­ко­ме­тал­лич. 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 энер­ге­тич. вы­ход уве­ли­чи­ва­ет­ся в 10 раз (при де­ле­нии вы­сво­бо­ж­да­ет­ся энер­гия 180 МэВ, а при тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции 17,6 МэВ), со­от­вет­ст­вен­но в 10 раз воз­рас­та­ет пол­ный ко­эф. 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 др. стра­нах. Ре­зуль­та­ты экс­пе­ри­мен­тов обос­но­вы­ва­ют прак­тич. осу­ще­ст­ви­мость ЛТС: по­гло­ще­ние ЛИ в ми­ше­ни – до 90%; ско­рость сжа­тия обо­лоч­ки к цен­тру ми­ше­ни – до 300 км/с, плот­ность DТ-го­рю­че­го 100 г/см³; темп-ра – до 13 кэВ; ней­трон­ный вы­ход 10¹³ ней­тро­нов. В 2009 вве­де­на в дей­ст­вие ус­та­нов­ка NIF (Na­tio­nal Ignition Facility) в Ли­вер­мор­ской нац. ла­бо­ра­то­рии (США). Ла­зер на не­оди­мо­вом стек­ле про­из­во­дит ла­зер­ные им­пуль­сы с энер­ги­ей 4,2 МДж на осн. 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 воз­мож­но про­ве­де­ние экс­пе­ри­мен­тов по дос­ти­же­нию ко­эф. уси­ле­ния ок. 1–10. Это от­кро­ет путь к осу­ще­ст­в­ле­нию энер­ге­тич. про­грам­мы на ос­но­ве ЛТС. Са­мый мощ­ный ра­бо­таю­щий ла­зер Оме­га (ун-т 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. В Ев­ро­пе и Япо­нии разви­ва­ют­ся про­грам­мы HiPER (High Power laser Energy Research) и FIREХ (Fast Ignition Realization Experiment), ори­ен­ти­руе­мые на схе­му бы­ст­ро­го за­жи­га­ния, на­ча­ло экс­пе­ри­мен­тов за­пла­ни­ро­ва­но на 2015.