Лазерный термоядерный синтез

и трития
выделяется большое количество энергии – 17.6 МэВ в

Для начала термоядерной реакции синтеза необходимо сблизить ядра
дейтерия и трития на расстояния порядка 10-13 см –

Идея лазерного термоядерного синтеза заключался в импульсном
воздействии лазерным излучением на вещество (мишень), при котором за
короткое время в малом объеме вещества создаются очень высокие
плотности и температуры

Нагрев нужно осуществить до температур порядка 100 миллионов градусов

Преодолеть кулоновский барьер можно путем
сильного нагрева и сжатия вещества

Для этого нужно преодолеть кулоновский барьер

результате реакции синтеза
Eн - энергия, затраченная на нагрев вещества до

Для того, чтобы величина Q сравнялась с единицей, необходимо выполнение
критерия Лоусона:

N – концентрация дейтериево-тритиевой смеси

τ – время эффективного протекания термоядерной реакции

Количественные оценки параметров, которые должны быть обеспечены
для реализации управляемого термоядерного синтеза

и термоизоляция горячей
плазмы с концентрацией дейтерия и
трития порядка

Термоядерные реакции в этом случае
должны протекать в режиме медленного
горения с характерными временами
τ = 1-10 c

Трудности связаны с гидродинамической
неустойчивостью различных равновесных
плазменных конфигураций и аномальной
диффузией плазмы в магнитном поле

Импульсное воздействие на вещество, при
котором за короткое время в малом объеме
вещества создаются очень высокие
плотности

Термоядерная реакция протекает в
виде взрыва умеренной мощности

Этот подход лежит в основе лазерного
термоядерного синтеза

результате
термоядерной реакции выделяется такое же количество энергии
Для достижения

Лазерное излучение можно использовать не только для нагрева мишени, но
и для ее сжатия до больших плотностей, превышающих на 4 порядка
плотности твердого тела в нормальном состоянии

Необходимо воздействовать на сферическую мишень одновременно и
симметрично в разных направлениях излучением лазера

Пороговая энергия импульса лазера может быть уменьшена до 104 Дж в
импульсе при его длительности в доли наносекунды

Требуются источники с мощностями 1013-1014 Вт в импульсе
длительностью 10-10 с

1. При облучении мишени излучением лазером на ее поверхности образуется

2. Корона разлетается навстречу лазерному лучу со скоростями до 107-108 см/с

3. Излучение проникает вглубь мишени до толщины, соответствующей
критической электронной плотности nс, которая обратно пропорциональна
квадрату длины волны излучения и далее интенсивно поглощается

4. Часть излучения испытывает отражение и затем поглощается плазмой в
результате обратного тормозного поглощения электронами плазмы

5. Вблизи критической плотности начинают развиваться процессы,
приводящие к развитию в плазме параметрических неустойчивостей,
которые могут как увеличивать, так и уменьшать долю поглощенного
излучения

короне
Рассеяние
Мандельштама-Бриллюэна
Вынужденное комбинационное
рассеяние
В результате процесса теплопроводности энергия поглощенного плазмой

Заметная доля энергии поглощенного плазмой излучения передается в
кинетическую энергию вещества, которое устремляется к центру мишени,
сжимая и разогревая дейтериево-тритиевую смесь

Гидродинамический КПД – отношение доли энергии лазерного излучения,
идущей на разогрев и сжатие плазмы, к полной энергии лазерного излучения

Для ЛТС КПД должен быть 15-20%

поглощенной энергии приводит к возникновению
надтепловых электронов, температура которых существенно

Надтепловые электроны прогревают мишень еще до прохождения волны
сжатия, и в результате величины предельно возможных сжатий
оказываются недостижимыми

2. В мишени могут развиваться гидродинамические неустойчивости,
которые возникают из-за неидеальности сферической поверхности мишени
и неоднородного распределения интенсивности лазерного излучения
на ее поверхности.

Неустойчивости приводит к отклонению в движении мишени по мере
ее сжатия от центрально-симметричного, в результате чего в итоге форма
сжатой мишени будет далека от идеальной сферической, а температура
и плотность будут существенно меньше расчетных

выполненная в виде одной сферической оболочки,
внутри которой содержится дейтериево-тритиевое

Необходимая степень сжатия мишени может быт достигнута при
отношении радиуса оболочки к ее толщине в несколько десятков

Использование такой схемы приводит к большим
гидродинамическим неустойчивостям

Схема прямого нагрева с многослойными оболочками

Внутренняя оболочка из тяжелого метериала окружена внешней
оболочкой из более легкого материала

Гидродинамические неустойчивости становятся существенно меньшими

Возникают неустойчивости, обусловленные большими градиентами
плотностей при сжатии мишени и перемешивании материалов оболочек

внутренней поверхности внешней
оболочки, для чего специальным образом заводится в

Более 80% энергии лазерного излучения при взаимодействии с материалом
внешней оболочки преобразуется в энергию мягкого рентгеновского
излучения, которое нагревает и сжимает внутреннюю оболочку

Более однородное сжатие мишени

Проблемы связаны со сложностями равномерного облучения внешней
оболочки и с потерями энергии на возникновение
рентгеновского излучения

к требуемым плотностям и температурам термоядерного
топлива. Для успешной реализации

Лазерный термоядерный синтез

В России первые работы по ЛТС начались в середине 70-х годов ХХ века в
Физическом институте им. П.Н. Лебедева. Так, на установке “Кальмар”
были реализованы энергии лазерного излучения до 200 Дж и получена
плотность смеси дейтерий-тритий порядка 10 г/см3. Дальнейшие
исследования были продолжены как в этом институте на более мощной
установке “Дельфин”, так и в Арзамасе-16 на установках “Искра-4” и
“Искра-5”. В США активные работы по ЛТС ведутся в Ливерморской
национальной лаборатории на установках “Нова” и “Шива” и в
Рочестерском университете на установке “Омега”. В Японии для
исследований ЛТС разработана установка “Гекко”.