Устройства для получения энергии типа реакторов токамак или стелларатор должны, в принципе, работать в непрерывном режиме или удерживать плазму довольно долго - хотя бы секунды. Но существует и другой способ получения условий для проведения термоядерной реакции - так называемое инерциальное удержание плазмы. Основан он на инерции вещества, которое при резком повышении температуры разлетается не сразу, давая возможность пройти реакции во всем объеме. Одно из его направлений - применение мощного лазерного излучения.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Схема замкнутого энергетического цикла лазерного термоядерного реактора.

Современные лазеры способны за короткий промежуток времени - около 10^-10 секунды - сконцентрировать энергию в чрезвычайно малом объеме - порядка 10^-6 см³. Это позволяет получить наиболее высокое на сегодняшний день контролируемое выделение энергии - до 10²⁰ Вт/см². Лазерные импульсы сжимают термоядерное "горючее" - смесь дейтерия D с тритием T - примерно в 5^.10⁴ раз и нагревают его до температуры 10 кэВ (около 120 миллионов градусов). При этих условиях (сохраняющихся только на время действия лазерного импульса) может начаться термоядерная реакция с выделением нейтронов (n) и большого количества энергии:

D + T = ⁴He + n + 17,6 МэВ.

Использовать лазерное излучение для осуществления управляемого термоядерного синтеза предложили в 1961 году Н. Г. Басов и О. Н. Крохин (ФИАН).

Установка для лазерного термоядерного синтеза представляет собой камеру, в которую помещается дейтерий-тритиевая мишень. На мишени фокусируется излучение нескольких мощных импульсных лазеров - от шести ("Дельфин-1", ФИАН) до двадцати ("Nova", Ливермор, США). Установка "Искра-5" (см. 1-ю стр. обложки), созданная во ВНИИЭФ ("Арзамас-16"), имеет двенадцать лазерных каналов с общей энергией излучения 30 кДж.

Мишень представляет собой сферическую ампулу, содержащую несколько миллиграммов дейтериево-тритие вой смеси в виде льда (при температуре ниже 14 K) или газа под давлением до сотен атмосфер. Ампула окружена несколькими оболочками. Внутренние оболочки и экраны предохраняют содержимое от перегрева; внешняя, испаряясь под действием лазерного импульса, разлетается и создает реактивный импульс, который, складываясь со световым давлением, сжимает содержимое мишени.

Лазерные импульсы, несущие энергию порядка 10¹⁴ Вт, фокусируются на мишени симметрично со всех сторон. Оболочка ампулы за время, гораздо меньшее длительности импульса, испаряется, ее вещество ионизуется и превращается в плазму (так называемую корону), которая разлетается со скоростью до 1000 км/с.

Лазерное излучение взаимодействует с плазмой по очень сложным законам и нагревает ее. Энергию из короны переносят в плотные слои мишени "горячие" электроны. Тепловой поток испаряет и нагревает новые слои оболочки, в результате чего вся энергия лазерного импульса превращается в тепловую и кинетическую энергию разлетающегося вещества. Его отдача и тепловое давление создают на границе испарения импульс сжатия более 10⁶ атмосфер. Плотность вещества в периферийной части мишени возрастает до 102 - 103 г/см³, а в центральной - до 5 - 50 г/см³. При этих условиях во всей массе дейтериево-тритиевой смеси возникает термоядерная реакция.

Тепло, полученное в ходе реакции, может быть преобразовано в электроэнергию или использовано непосредственно. Но для получения энергии необходимо построить промышленный лазерный термоядерный реактор, а на пути его создания имеется ряд технологических трудностей.

Согласно оценкам, лазеры должны иметь кпд не ниже 5% при энергии излучения 1 - 3 МДж, длительности импульсов (2 - 3)^.10^-8 секунды и частоте их повторения 1 - 10 Гц. Лазеры должны стоять на расстоянии 30 - 50 метров от реактора и обеспечивать фокусировку излучения на мишень размером 1 сантиметр. Неоднородность интенсивности облучения мишени не может превышать 5%, а сама мишень должна быть изготовлена с точностью 1%. Мишени - ампулы с дейтериево_тритиевой смесью нужно подавать в реактор несколько раз в секунду, с высокой точностью фиксируя их в центре реактора. Только при выполнении всех этих условий коэффициент усиления реактора (отношение выделившейся термоядерной энергии к энергии лазеров) может достигнуть 10² - 10³. Но сконструировать столь сложную систему с таким количеством серьезных требований пока не удается.

№11, 1999