Современные проблемы УТС (Багрянский, Бурдаков, Шошин) (1248471), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Если принять во внимание, что концентрация частиц в термоядерном горючем пропорциональна его плотности(n ∝ ρ), а характерное время развала заряда шарообразной формы τ ∼ R/cs,где R – радиус шара, cs – скорость звука (cs ∝ T1/2), то можно заключить,что nτ ∝ ρ ·R. Таким образом, критерий Лоусона для систем инерциального удержания может быть сформулирован в терминах ρ·R. Расчеты показывают, что для d,t-смеси установка с инерциальным синтезом становитсяэнергетически оправданной приТ ~ 20 кэВ и ρ ·R > 3 г/см2.(6.1)Кроме того, расчеты показывают, что с учетом реальной эффективности передачи энергии от драйвера в плазму требуется вкладываемая энергия масштаба 1 МДж при длительности 1–10 нс.В настоящее время лидерами в области систем с инерциальным удержанием являются эксперименты с использованием лазеров.
Существуетдва направления, различающиеся методом сжатия мишени с термоядерным зарядом: 1) прямое сжатие мишени; 2) «непрямое» сжатие мишени.В методе прямого сжатия мишень равномерно со всех сторон облучаетсяпучками лазеров (рис. 5). За счет интенсивного испарения оболочки (абляции) мишени возникает реактивная сила, сжимающая термоядерное топливо. Одной из основных проблем при реализации этого метода являетсяобеспечение равномерного облучения. Неоднородность плотности мощности лазерного излучения на поверхности мишени ведет к возникновениюнеустойчивости ее границы в процессе сжатия и резкому уменьшениювремени инерциального удержания.28Мишень прямого сжатияСжатие рентгеновскимилучамикапсулалучилазеровЛучилазеровHohlraum цилиндрической формыиз вещества с высоким ZРис.
5. Методы прямого и «непрямого» сжатия термоядерной мишениПри реализации прямого сжатия мишени стадии инерциального удержания чередуются следующим образом.1. Нагревается оболочка до температуры порядка 2 кэВ (Р ~50 Мбар), абляция материала заставляет мишень сжиматься, внутренняячасть мишени сжимается адиабатически, оставаясь холодной (Т ~ эВ).2. На финальной стадии плотность оболочки достигает ~ 500 г/см3,при этом в центре образуется горячая область с плотностью ~ 50 г/см3, гдеидет реакция.3.
Альфа-частицы прогревают окрестности горячей зоны и реакция(волна горения) распространяется на всю мишень.При таком способе сжатия и нагрева наружная граница мишени становится нестабильной относительно развития магнитогидродинамических(МГД) неустойчивостей. На линейной стадии возмущения формы границырастут экспоненциально и могут прорвать оболочку мишени. Однако компьютерное моделирование и эксперименты показывают, что при реализации очень однородных начальных условий и плотности мощности драйвера возможно увеличить время развития неустойчивости до безопасногоуровня.
Существуют способы оптимизации процесса сжатия мишени сцелью увеличения ее плотности. Идея одного из них заключается в том,чтобы сгруппировать по времени приход в центр мишени ударных волн,возникающих в разные моменты воздействия нагревного импульса на мишень. Оказывается, что для этого необходим экспоненциальный ростмощности драйвера во время импульса.
Объяснение заключается в том,что более поздние возмущения распространяются по уже прогретой плазме, следовательно, воздействие на мишень должно быть более интенсивным. Важно также отметить, что выбор профиля импульса во временивлияет на конструкцию мишени.29Рис. 6. Один из вариантов лазерной мишени для экспериментов по инерциальному УТС (General Atomic, США)Принцип непрямого сжатия аналогичен принципу Улама-ТеллераСахарова-Зельдовича, который был реализован в оружейных программах.Используется полый контейнер (hohlraum), изготовленный из вещества свысоким Z, внутри которого размещается мишень (см. рис.
5). В контейнере имеются отверстия, куда вводятся сфокусированные должным образомпучки лазеров. Лазерное излучение, имеющее длину волны обычно в диапазоне 0,3–1 µm, поглощается внутренней поверхностью контейнера ипреобразуется благодаря многократному поглощению в равновесное излучение, максимальная мощность которого лежит в области мягкого рентгена.
Метод сжатия посредством излучения рентгеновского диапазона позволяет решить две фундаментальные проблемы, труднопреодолимые приреализации прямого сжатия. Во-первых, достигается нужная степень однородности обжатия, а во-вторых, рентгеновское излучение не может бытьотражено плотной плазмой вблизи мишени и эффективно взаимодействуетс ее поверхностью. На рис. 6 показано устройство одного из используемыхвариантов лазерной мишени с d,t-смесью.30Рис.
7. Мишенная камера установки NIF (вид изнутри)Мишень представляет собой полый шарик диаметром немного более4 мм, изготовленный из пены органического вещества. Шарики заполняются d,t–смесью при высоком давлении, а затем покрываются слоем металла с большим Z, в нашем случае золотом или палладием. В дальнейшемпри охлаждении шариков до температуры жидкого гелия на внутреннейповерхности стенки шариков образуется слой льда из смеси дейтерия итрития.
Толщина слоя льда – около 300 µм, слоя пены – около 250 µм, слоятяжелого металла – 5 µм. Внутри ледяного слоя находится d,t–смесь в парообразном состоянии. В настоящее время технология массового производства лазерных мишеней с приемлемой себестоимостью разработанарядом организаций в нескольких странах.
Производители мишеней утверждают, что созданные технологии позволяют в массовом производстве свысокой точностью выдерживать толщину слоев мишени. Отклонениеповерхности слоев мишеней от сферической формы составляет ∼1 % от ихтолщины, что позволяет при однородном облучении избежать влияниянеустойчивостей на процесс сжатия.31Направление лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) поддерживается,начиная с 70-х гг. прошлого века, многочисленными экспериментами,проведенными в ряде стран. Кроме задач развития термоядерной энергетики, важной мотивацией для этих экспериментов были и остаются задачимоделирования ядерных взрывов в лабораторных условиях в рамках программ развития ядерных вооружений.
Для того, чтобы представить масштаб современного эксперимента по ЛТС, приведем основные параметрыустановки NIF (National Ignition Facility, Ливермор, США), полномасштабный запуск которой планируется в 2010 г. Лазерная система NIF, согласнопроекту, позволит создавать 192 пучка излучения с суммарной пиковоймощностью 0,5·1012 Ватт, энергией в импульсе до 1,8 МДж, длительностьимпульса 3–4 нс. Оптическая система включает 7500 крупных компонент иболее 15 000 мелких.
Лазерные лучи имеют апертуру ∼40×40 см. Активнойсредой лазеров является специальное стекло. Их излучение (λ ∼ 1 µм) припомощи кристаллов KDP преобразуется в третью гармонику λ = 351 нм,что позволяет повышать эффективность взаимодействия лазерного излучения с мишенью. Установка размещена в трех соединенных зданиях: корпусе оптических систем, здании лазеров и здании мишеней. Общая длинакомплекса – более 200 м, ширина – 120 м, высота зданий – около 25 м.Стоимость сооружения установки NIF составляет несколько миллиардовдолларов США.
На рис. 7 показана мишенная камера NIF в стадииналадки.NIF – это первая в мире система ЛТС с энергией импульсов мегаджоульного диапазона. Согласно результатам компьютерного моделированияпри помощи хорошо развитых численных кодов, ее параметры позволятполучить до 40 МДж термоядерной энергии в импульсе и достичь степенитермоядерного усиления Q ≈ 10 – 20. Проведение первых экспериментов сd,t-мишенями планируется начать в 2010 г. На установках предыдущегопоколения энергия лазерного импульса достигала диапазона десятков килоджоулей (30 кДж, NOVA, Ливермор, США).
Были детально исследованы процессы сжатия мишеней различными методами и получены значениятермоядерной энергии за импульс в сотни джоулей. В апреле 2010 г. руководители эксперимента на установке NIF сообщили о том, что впервыедостигнута энергия лазерного импульса на мишени, превышающая 1 МДж.Согласно результатам расчетов этого уже достаточно для демонстрациизажигания термоядерного горючего. Эксперимент по прямой демонстрации зажигания был запланирован на конец 2010 г.32Выходы дляохладителяиз солевогорасплава640 °CТермоядернаямишеньОдин из лазерныхпучков, λ = 350 nmВходы дляохладителяиз солевогорасплава610 °CОхладительпервой стенки,свинец-литий260 °СЯдерный бланкетНейтронный усилительи модератор из BeРис. 8.
Мишенная камера гибридного реактора на основе ЛТС [26].Большой прогресс в области ЛТС за предыдущие два десятилетия иблизкий срок запуска установки NIF, способной продемонстрироватьQ ≈ 10 – 20, мотивируют во всем мире высокий уровень активности в области создания проектов реакторов для производства электроэнергии наоснове ЛТС. В качестве примера можно назвать проект гибридного реактора, который впервые был представлен руководством NIF на конференции МАГАТЭ осенью 2008 г.
Предлагаемая система являлась сочетаниемтермоядерного реактора и реактора деления (рис. 8). Расчетный факторусиления мощности составляет Q = 25, а полная термоядерная мощность –400 МВт. Поток 14 МэВ нейтронов d,t-реакции предполагается использо33вать для управления реактором деления (ядерным бланкетом), элементыкоторого расположены на внутренней поверхности мишенной камеры.Реактор деления должен работать в подкритичном режиме, т.
е. его работаневозможна в условиях отсутствия потока нейтронов от реакции синтеза.Суммарная мощность, выделяемая за счет реакций синтеза при взрывахмишеней и за счет ядерных реакций в реакторе деления, будет около2,5 ГВт.Гибридная система обладает рядом преимуществ по сравнению с существующими в настоящее время реакторами деления. Первое преимущество– это высокий уровень внутренней безопасности. Подкритичный реакторпрекращает работу в отсутствие потока нейтронов от внешнего источникаи, в принципе, не способен взорваться как ядерный заряд. Второе преимущество связано с предполагаемым энергетическим спектром нейтронов вреакторе деления, который будет соответствовать реакторам на быстрыхнейтронах, способных использовать так называемые альтернативные топлива: 238U, торий и др., запасы которых на нашей планете весьма значительны.
Однако гибридные системы в значительной мере наследуют и недостатки существующих реакторов деления: большое количество радиоактивного вещества в зоны реакции и необходимость решать проблему радиоактивных отходов. В связи с этим следует отметить, что подкритичныегибридные реакторы синтеза-деления способны эффективно «дожигать»наиболее опасную и долгоживущую часть радиоактивных отходов, такназываемые минорные актиниды – трансурановые элементы, образовавшиеся за счет реакций захвата нейтронов ядрами урана: америций (Am),нептуний (Np) и кюрий (Cm).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
