Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для m = 10–100 кг, и М/т = 10–100, выражение (5.1) дает временаинерциального удержания, равные по порядку величины 5–20 нc. Этаоценка дает базовую шкалу времени, с которой и надо сравнивать времягорения.Время термоядерного горения зависит от температуры, которую можнодостичь в топливе, принимая во внимание все ядерные и электромагнитные взаимодействия.
Согласно результатам численного моделированияможно полагать, что температура горения дейтерия составляет 20 кэВ.Время горения находится на уровне времени, необходимого, чтобы сжечь50 % топлива при постоянной температуре. Полагая, что Т и 3Не сгораютсразу, как только генерируются, время горения для дейтерия равно1(5.2)τ b ≈ τ dd =,2ni < σ dd v >где ni = χn0 – начальная плотность ионов, n0 – плотность ионов в твердойфазе дейтерия, χ – степень сжатия; < σ dd v > – максвелловская усредненнаяскорость реакции, равная 5·10-24 м3/c при kT = 20 кэВ.
При плотности твердой фазы (χ = 1, ρ = 180 кг/м3) время горения дейтерия составляет 2 мкс.Следовательно, чтобы попасть во время развала, т. е. иметь τd = τb, нахо24дим, что сжатие дейтерия должно быть на уровне 100–400 раз по отношению к плотности твердой фазы.Если у нас есть средства сжатия топлива до очень высоких плотностей,то остается проблема инициирования (воспламенения). Как это следует израсчетов, потери излучения таковы, что температура инициирования вдейтерии низкой плотности (т. е. χ < 30) равна около 25 кэВ.
Эта температура слишком высока для инициирования даже посредством атомной бомбы. Однако при увеличении плотности топлива достижение воспламенения становится легче. Например, если плотность достаточно велика, такчто большая часть энергии нейтронов, произведенных в реакции синтеза,выделяется в топливе, температура инициирования снижается до 10 кэВ.Еще большее снижение получается при достижении большего сжатия топлива до точки, когда оно становится непрозрачным к своему собственномуизлучению.Подытоживая сказанное, отметим, что очень высокое сжатие являетсяосновным условием успешного инициирования и горения инерциальноудерживаемых термоядерных топлив: коэффициент сжатия должен бытьдостаточно велик, чтобы и время саморазогрева (в фазе инициирования), ивремя горения (в фазе горения) были достаточно коротки, по сравнению современем удержания.
Проблема заключается в том, что высокое сжатиеочень трудно реализуемо на практике. Как это следует из экспериментов,сжатие малых количеств изотопов водорода до плотностей, больших в 30раз плотности в твердой фазе, уже находится на пределе достижимого спомощью химической взрывчатки. Поэтому при применении данного метода невозможно получение сжатия на уровне 100–300 в больших количествах дейтерия.
Необходимо изобрести метод, использующий заряды наделении.После многих безуспешных попыток спроектировать водородную бомбу в 1951 г. Теллер и Улам (США) и в 1954 г. независимо А. Д. Сахаров иЯ. Б. Зельдович (СССР) открыли метод достижения очень высоких степеней сжатия. Основа этого метода состоит в использовании рентгеновскихлучей, рожденных ядерным зарядом первой ступени, для сжатия и инициирования физически отдельной вторичной ядерной сборки, содержащейтермоядерное топливо.Метод заключается в следующем: бомба на делении и контейнер, заполненный топливом синтеза (вторая ступень), размещаются внутри общей оболочки (радиационный корпус) (рис.
4). Радиационный корпус икожух второй ступени (толкатель/ТАМПЕР) сделаны из тяжелого материала, непрозрачного для рентгена, остающееся пространство в радиационном корпусе (холлраум — hohlraum) заполнено легкими материалами,прозрачными для рентгена; при запуске цепной реакции в первой ступенибольшие количества рентгена излучаются до взрыва и мгновенно запол25няют холлраум. Рентген, запертый в холлрауме, быстро достигает своегоравновесного спектра черного тела и превращает начинку холлраума вгорячую плазму. Термализация, приводимая в действие излучением, гарантирует, что эта плазма имеет очень равномерное давление и температуру, так что ее воздействие на вторую ступень одинаково со всех сторон.Плазма переизлучает рентген на более длинных волнах, который поглощается поверхностью второй ступени.
Толкатель/ТАМПЕР, нагревающийсядо точки, где он испаряется и из него выбрасывается материал. По законупротиводействия материал, унесенный из толкателя/ТАМПЕРа, вызываетдавление, которое толкает ТАМПЕР внутрь, схлопывая топливо синтезачерез имплозию до очень высоких плотностей.радиационная оболочкаатомная бомбаγγγγγγпервичное рентгеновское излучениевторичное рентгеновское излучениеhohlraumγтолкательтермоядерное горючееγγγподжигающее устройствоРис. 4. Схематическое изображение водородной бомбы, основанной на принципе Улама-Теллера-Сахарова-ЗельдовичаОсновная идея метода Теллера-Улама-Сахарова-Зельдовича заключается в использовании нагреваемой излучением низкоплотной плазмы какбуфера, чтобы создать очень равномерные условия для обжатия второйступени в равной мере и одновременно со всех сторон. Отсутствие равномерности привело бы к неустойчивостям при сжатии, или вторую ступеньпросто бы снесло.
Метод также применим, если холлраум не заполненнизкоплотным материалом: роль буфера тогда исполняет термализованноеизлучение черного тела. Преимущество низкоплотного наполнителя в том,что оно позволяет хранить энергию первой ступени в виде тепловой энергии плазмы, и эта энергия затем может быть передана во вторую ступеньдля запитки энергией процесса абляции. Это важно, так как первая ступень26является времяпеременным источником излучения с временной зависимостью, не совсем оптимальной для адиабатического сжатия. Кроме того,поскольку рентгеновский импульс от первой ступени имеет относительнокороткую длительность, хранение энергии позволяет дольше поддерживать сжатие топлива синтеза и доводить коэффициент сжатия до большихзначений.На рис.
4 присутствует необязательный элемент, не обсуждавшийся ранее: поджигающее устройство в центре второй ступени. Устройство состоит из подкритического количества делящегося материала, сжимаемогоодновременно со второй ступенью. Из-за интенсивного нейтронного фона,возникающего от взрыва первой ступени, в поджигающем устройстве подостижении критического состояния начинается цепная реакция. Следовательно, при тщательном проектировании устройство взорвется как раз тогда, когда имплозия доведёт термоядерное топливо до максимальнойплотности. Затем в форме рентгеновских лучей, нейтронов и дополнительного сжатия изнутри имплозия приведет к большому количеству энергии,достаточному для инициирования взрыва.
Важно отметить, что сжатие игорение второй ступени должно завершиться до того, как ударная волна отпервой ступени достигнет второго узла.Первый взрыв американской водородной бомбы («Майк»), состоявшийся 1 ноября 1952 г., уникален, потому что он единственный, в которомв качестве топлива использовался жидкий дейтерий, во всех последующихустройствах в качестве термоядерного топлива использовался LiD.В СССР после открытия обжатия излучением в начале 1954 г., расчеты итеоретическая работа по двухстадийному устройству были завершены кначалу лета 1955 г. Экспериментальный термоядерный заряд был успешноиспытан 22 ноября того же года.6. ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ УТСПодход к решению проблемы УТС методом инерционного удержанияво многом наследует методы, разработанные при создании термоядерногооружия.
Наиболее существенные отличия заключаются в том, что, вопервых, в управляемом реакторе необходимо использовать термоядерныезаряды (мишени) с относительно малым энерговыделением, которое соответствует диапазону десятков-сотен килограмм тротилового эквивалента.Это ограничение естественно определяется ограниченной стойкостьювзрывной камеры будущего реактора.
Во-вторых, немыслимо использоватьядерные устройства для сжатия и инициирования термоядерных зарядов.Для этой цели следует создать мощные носители энергии (драйверы), способные за времена наносекундного диапазона осуществить обжатие и нагрев миниатюрных контейнеров (мишеней) с термоядерным горючим.27Реализация инерциального УТС требует демонстрации четырёх достижений:1) мишени с высоким усилением (выход реакции в ~100 раз превышаетвложенную энергию);2) эффективный (~10–30 %) драйвер с высокой частотой повторения(~5–10 Гц);3) недорогие мишени (около 25 центов США за штуку) в массовомпроизводстве (~100 млн в год);4) долгоживущая (до 30 лет), малоактивируемая мишенная камера.Данные обстоятельства вместе с рядом проблем физического характеравыводят задачу осуществимости УТС на пути инерциального синтеза напределы технологических возможностей современной цивилизации. В качестве кандидатов на роль драйверов в разные годы рассматривались электронные и ионные пучки, а также лазерные системы.Критерий Лоусона для d,t-смеси: nτ > 0,5·1014 см -3 сек, Т ∼ 2·108 °K(или Т ~ 20 кэВ) – может быть модифицирован для систем инерциальногоудержания следующим образом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
