Проблемы управляемого термоядерного синтеза

Трудности, связанные с  магнитным удержанием плазмы, можно  было бы обойти, если сжигать ядерное  горючее за столь малый промежуток времени, что нагретое вещество не успело бы разлететься из зоны реакции. Но полезная энергия при таком способе сжигания может быть получена лишь при очень высокой плотности рабочего вещества. Чтобы избежать ситуациитермоядерного взрыва большой мощности, нужно использовать очень малые порции горючего, исходное термоядерное топливо должно иметь вид небольших крупинок (диаметром 1-2 мм), приготовленных из смеси дейтерия и трития, впрыскиваемых в реактор перед каждым его рабочим тактом. Главная проблема здесь заключается в подведении необходимой энергии для разогрева крупинки горючего. Решение этой проблемы возлагается на применение лазерных лучей или интенсивных электронных пучков. Исследования в области управляемого ядерного синтеза с применением лазерного нагрева были начаты в 1964.

10 марта 2009 года американская  «Национальная установка зажигания» (National Ignition Facility — NIF) произвела рекордный световой импульс в 1,1 мегаджоуля. При этом лучи системы в сумме несли в 25 раз больше энергии, чем импульс любого другого лазера. Вспышка длилась миллиардные доли секунды и послужила салютом в честь завершения строительства одной из самых сложных экспериментальных установок человечества. NIF – крупнейшая лазерная система на планете — должна наконец ответить на вопрос: возможно ли на практике управлять термоядерными реакциями при помощи лазерной технологии?

NIF представляет собой  самую мощную и сложную установку в своей области. Проект насчитывает уже 15-летнюю историю, из которых на возведение комплекса ушло 12 лет  и примерно 4 миллиарда долларов.

Основной принцип ICF, также  именуемый лазерным синтезом, прост. Сосредоточьте свет от множества  мощных лазеров на маленькой мишени из смеси дейтерия и трития. Мгновенное испарение внешнего слоя создаст реактивную силу, направленную к центру, что приведёт к сильному сжатию мишени и её разогреву до температуры запуска термоядерной реакции.

Причём реакция, начавшись  в центре мишени, распространится наружу во внешние, более холодные её слои намного раньше (буквально в наносекунды), чем весь сжатый материал разлетится в стороны. Потому данный метод удержания горячей плазмы и назван инерциальным.

Однако предыдущие опыты  показали, что даже с большим числом лазеров прямым облучением со всех сторон трудно добиться равномерного сжатия мишени, а это – ключ ко всему.

Микроскопические неравномерности, буквально неуловимые глазом, приводят к тому, что горячая плазма «расплескивается», прежде чем ударная волна внутри шарика запустит цепную и устойчивую реакцию синтеза. И даже если некоторые из ядер дейтерия и трития в момент такого «удара» сольются, и общая цель не будет достигнута. Потому в NIF используется другой метод создания равномерного облучения мишени – так называемый непрямой привод. Заключается он в том, что лазеры направляют не в саму мишень с ядерным топливом, а в специальный полый цилиндрик под названием hohlraum, выполненный из золота, внутри которого на полимерной распорке и подвешен топливный шарик.

На снимках ниже изображена NIF установка (один из двух залов с лазерами - слева). Всего в NIF мишень обстреливает 192 ультрафиолетовых лазера. Эти лучи направляются в центр огромной целевой камеры (правый снимок), где специальный держатель «карандаш» фиксирует миниатюрный термоядерный заряд. Мощный импульс лазеров, попадающий через торцевые

отверстия на внутренниестенки цилиндра под точно рассчитанным углом, превращает его в плазму, которая окутывает топливный шарик и успевает выдать мощный импульс рентгеновского излучения, прежде чем разлетится прочь. Рентген и взрывает главную мишень, не хуже, а даже эффективнее, чем взорвало бы её прямое попадание лазеров.

Благодаря мгновенному испарению  внешнего слоя шарика последний сжимается  так, что плотность вещества в нём подскакивает до 1 килограмма на миллилитр (то есть окажется примерно в 100 раз выше плотности свинца). Температура же вырастает до 100 миллионов градусов.

Топливная капсула несёт в себе 150 микрограммов смеси дейтерия и трития. Капсула выполнена в основном из полимера, но в ней есть тонкий слой замороженного (при температуре 18 Кельвинов) льда из тяжёлых изотопов водорода.

NIF способна производить один лазерный «выстрел» каждые 5 часов – больше не позволит разогрев оптической системы, приводящий к её деформации. Но промышленная система лазерного синтеза должна подрывать в центре установки по несколько топливных шариков в секунду. А значит потребуется более сложный дизайн лазерного комплекса с мощным охлаждением и «пушка», стреляющая на скорости в 10-100 м/с точно в центр камеры.  Всё это в том или ином виде должно быть проверено на другой опытной установке — в рамках европейского проекта Hiper, который существует пока только на бумаге.

Ниже на рисунке показан условный принцип промышленной электростанции на основе лазерного синтеза. Одна мишень (топливная капсула) стоимостью примерно 25 центов должна генерировать порядка 300 мегаджоулей энергии.

Заключение.

Значение исследований в  области управляемого термоядерного  синтеза трудно преувеличить, ведь ресурсы минерального топлива ограничены и при сохранении существующих темпов развития энергетики будут исчерпаны  в ближайшие десятилетия (нефть, горючие газы) или столетия (уголь).Одновременно с этим, острая проблема нарастающего загрязнения окружающей среды требует  перевода промышленного производства на замкнутый цикл, при котором  возникает минимум отходов.Такая  реконструкция промышленности неизбежно  связана с резким возрастанием энергопотребления.

Низкая плотность мощности падающего солнечного излучения  не позволит полностью покрыть потребность  человечества в энергии, а ядерные  реакторы деления образуют слишком  много радиоактивных отходов.

Процесс термоядерного синтеза в значительной степени свободен от недостатков,присущих процессу деления. В реакции синтеза не образуется долгоживущихрадиоактивных изотопов, топливом для нее служат тяжелые изотопы водорода -дейтерий и тритий. В литре обычной воды содержится примерно 0,03 г дейтерия,но в процессе его реакции выделяется столько же энергии, сколько при сгорании300 литров бензина! Запасов дейтерия на Земле хватит, чтобы обеспечиватьчеловечество энергией около миллиарда лет. Немаловажно, что производствотермоядерного топлива уже сегодня очень недорого: в нынешних условиях ценасоставила бы 1-2 копейки за киловатт электроэнергии и будет снижаться вдальнейшем.

Вероятно, термоядерные источники  смогут заменить тепловые станции уже через 30–40 лет. Л.А.Арцимович - многолетний руководитель программы «Токамак», отвечая на вопрос «Когда же будет построен работающий термоядерный реактор?» сказал: «Тогда, когда это будет нужно человечеству».

Литература.

1. «Энергетика будущего.Международный проект ИТЭР»Под ред. академика Е.П. Велихова. Выпущено УТС-Центром по заказу Федерального агентства по атомной энергии, 2005 г.
2. «Успехи физических наук» том 171, №8 август 2001г. «Из истории физики к истории исследований по управляемому ядерному синтезу».
3. «Пути ядерного синтеза» Б.И. ЛУЧКОВ. Учебно-методическая газета «Физика», выпуск 27 - 2003г.
4. «Проблемы управляемого термоядерного синтеза» Днестровский Ю.Н. - д.ф-м. наук, профессор, институт Ядерного Синтеза, РНЦ«Курчатовский Институт», Москва, Россия. МатериалыМеждународнойконференции"Путь в будущее – наука, глобальные проблемы, мечты и надежды 26–28 ноября, 2007г. Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва.
5. Материалы к лекции «На пути к термоядерной энергетике» Кристофера Ллуэллин-Смита - профессора Оксфордского университета, председателя Совета ИТЭР, председателя Совета СЕЗАМа, прочитанной 17 мая 2009 года.
6. Материалыжурнала Science & Technology Review Articles  Январь/февраль 2012.
7. Материалы официального сайта организации ИТЭР  http://www.iter.org/