Мирнов Енергия из воды 2007

реакции: путем увеличения n либо τE. В первом случае это фактическое копирование работы водородной бомбы, а именно, осуществление термоядерного синтеза путем всестороннего обжатия DT-мишени. Это направление получило название “инерционного синтеза”. Во втором, создание специальных «магнитных ловушек», способных стационарно удерживать горячее топливо. Нагрев DT-смеси в таких ловушках до сотен миллионов градусов был технически освоен в 70-80 гг. И сегодня уже никого не изумляет квазистационарное существование в них подобных горячих образований на протяжении 20-30 с.

Инерционный синтез

Достижения первого, инерционного, направления общеизвестны. Первого ноября 1952 г. на атолле Эниветок в Тихом океане ученые США с помощью атомной бомбы подорвали массивное устройство (50 т), содержащее жидкий дейтерий и тритий, и получили при этом взрыв ранее невиданной мощности, эквивалентный взрыву 500 бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Таким образом, было отмечено вступление человечества в Термоядерную эру.

Очевидный недостаток этого и всех последующих термоядерных взрывов – сверхмощное, неуправляемое выделение энергии с использованием в качестве поджига (или, как говорят сегодня, драйвера) атомного взрыва. Основные исследования в области управляемого инерционного синтеза прошли в поисках менее разрушительного и более дешевого драйвера.

Суть в том, что выполнение условия Лоусона при инерционном синтезе должно обеспечиваться сжатием более чем в 1000 раз DT-льдинки (мишени) и ее одновременным нагревом, по крайней мере, до 3–5 кэВ. Нетрудно показать, что при температуре ниже 5 кэВ выгоднее сжимать, чем греть. Парадоксально, но нагрев, особенно электронов, в центре сжимаемой мишени становится нежелательным явлением, он создает противодавление и ограничивает степень сжатия. С другой стороны, сжатие горючего необходимо осуществлять быстро (10–30 нс) и предельно равномерно, чтобы по возможности задержать развитие релей-тейлоровской

31

неустойчивости (неустойчивости слоя тяжелой жидкости, налитой поверх легкой).

Суть этой неустойчивости прозрачна. Допустим, что на границе раздела тяжелой и легкой жидкостей (на рис.6 пунктир) возникла некоторая малая рябь. В гребешке возникшего возмущения расстояние до поверхности тяжелой жидкости 2 меньше, а во впадине 3 больше, чем в невозмущенном случае 1. Это означает, что в гребешке возникшего возмущения давление ниже исходного и он должен «всплывать», а область впадины, напротив, «тонуть», то есть исходная рябь должна нарастать. Иными словами, поверхность раздела жидкостей неустойчива. При всестороннем сжатии вещества ситуация практически аналогична. Граница сжатия по той же причине неустойчива. Но время развития неустойчивости конечно. Оно определяется инерцией сжимаемого горючего. Отсюда необходимы быстрота сжатия и его предельно возможная изотропия, дабы исключить, либо уменьшить начальные возмущения (рябь) поверхности. В водородных бомбах необходимую изотропизацию сжатия достигают применением в качестве сжимающего «поршня» светового излучения, точнее, мягкого рентгеновского излучения, возникающего «на факеле» взрыва атомной бомбы.

Рис.6. Схема развития неустойчивости на границе раздела (пунктир) «тяжелой» (I ) и «легкой» (II) жидкостей

Однако слишком быстрое сжатие чревато возникновением в сжимаемом веществе ударной волны, которая, родившись на краю, может со сверхзвуковой скоростью достичь центра и там, преждевременно нагрев электроны и ионы, создать противодавление, ограничивающее конечную степень сжатия. С этим пытаются бороться с помощью выбора специальных

32

конструкций сжимаемой мишени («адиабатические мишени») и временным программированием процесса сжатия.

Типичные DT-мишени, применяемые сегодня в инерционном синтезе, – тонкостенные (несколько микрон) стеклянные шарики размером от сотен микрон до милиметров, наполненные DT-горючим. Сверху шарики покрыты для усиления эффекта сжатия и снижения скорости развития релейтейлоровской неусточивости микронным слоем золота. Охлаждение таких шариков до гелиевых температур приводит к намораживанию DT-горючего на стекло. Отсюда их название – «криогенные». Тем самым устраняется возможность возникновения противодавления в ходе сжатия – ударные волны в вакууме не распространяются. Иными словами, сжимать нужно не только быстро, но и умело. Читателю, интересующемуся более подробно вопросами сжатия DT-мишеней, можно порекомендовать книгу [5].

Все эти вопросы вплотную примыкают к «оружейным» проблемам, и остро волнуют соответствующих специалистов, тем более, что ядерные испытания запрещены. Отсюда поддержка, которую оказывают оборонные ведомства ведущих промышленных стран этим работам.

Рис.7. Принципиальная схема прямого лазерного сжатия

Три основных способа передачи энергии на мишень (драйвера) инерционного управляемого синтеза рассматриваются сегодня. Это прямое лазерное сжатие и непрямое – с помощью мощного рентгеновского излучения, создаваемого теми же

33

лазерами, электромагнитными методами и пучками ускоренных ионов (так называемая, hohlraum – model).

Наиболее популярным драйвером на сегодня остается лазерное излучение. Из расчетов и экспериментов с атомными зарядами известно, что стократное превышение выделившейся мощности над вложенной (Q=100) возможно, если энергия сжатия, переданная на мишень, превысит 10 МДж. В сегодняшних экспериментальных устройствах удается передать на мишень энергию раз в сто меньше. Правда, в США интенсивно разрабатывается проект NIF, цель которого – передача на мишень уже около 1,8 МДж и Q=10. Начальная стоимость проекта была около $ 1,2 млрд., что выгодно отличало его от токамаков. Предполагалось, что он будет завершен к 2002 г., но к 2005 г. удалось запустить только первые четыре из 192 лазерных пучков (Nd-стекло, 3 гармоника), к 2006 г. – 8. Предприятие оказалось существенно сложнее, чем декларировалось вначале. Сметная стоимость проекта как будто бы возросла до стоимости всего ИТЭР – $5 млрд. Сегодня сроки пуска отодвинуты уже до 2010 г.

На рис.7 изображена принципиальная схема прямого лазерного сжатия мишени из DT-льда (почти по Свифту!) всесторонним лазерным облучением («ковка пламени»). Реально лазерных лучей должно быть много больше четырех (в NIF-192 !). На рис.8, а – фотография мишенного узла одной из крупных установок лазерного синтеза – Гекко-XII (Япония, энергия 30 кДж), а на Рис.8, б – общий вид этой установки. Для повышения энергии необходимо увеличение мощности и числа подобных лазерных «линеек».

Очевидный недостаток прямого сжатия – возможная неоднородность облучения мишени. Она может быть следствием неидентичности лазерных пучков, либо временным разбросом момента их включения. Непрямое облучение мишени частично компенсирует эти недостатки.

Идея непрямого сжатия, фактически, копирует идею водородной бомбы – сжатие мишени изотропным излучением мягкого рентгена. Мишень должна быть при этом помещена в центр некоторой сферы, внутренняя поверхность которой

34

является ее мощным рентгеновским облучателем. В водородной бомбе – в один из фокусов эллипсоида, а в другой фокус помещается атомная бомба.

а

б

Рис.8. Камера лазерного синтеза Гекко-XII (Япония) (а) и общий вид

установки Гекко-XII (б)

Световое и нейтронное излучения, сопровождающие взрыв атомной бомбы («факел»), приходят на мишень уже через несколько наносекунд (10–9 с) после взрыва, в то время, как волна разрушения – только через несколько микросекунд (10-6 с). За это время внутренняя оболочка эллипсоида, изготовленного из

35

массивного материала, нагревается по американским данным до температуры выше 3 000 000 К (300 эВ) и становится тем самым изотропным излучателем, который необходим для сжатия мишени и детонации DT-топлива.

Детонация топлива, то есть его внутреннее самовозгорание, обеспечивается α-частицами, рождающимися в ходе начавшегося DT-синтеза. Отсюда вытекает еще одно условие – длина свободного пробега α-частиц в мишени должна быть меньше ее размера δr. Или, что одно и то же, произведение nδr должно стать выше некоторого критического значения. Если учесть, что в ходе сжатия полное число частиц в мишени остается постоянным (4πnδr3/3), и nδr ~ 1/ δr2, для детонации в процессе сжатия дополнительно необходимо достичь его некоторой критической степени, разной для разных мишеней. Конструкция мишени – один из главных секретов водородного оружия.

В случае управляемого инерционного синтеза внутренняя поверхность облучающей оболочки должна нагреваться либо лазерным излучением, либо пучками тяжелых ионов высоких энергий. Для ввода их в оболочке делаются специальные отверстия. Эта схема получила название hohlraum - model (модель пустой комнаты).

Одна из новаций последних лет, предложенная японскими учеными, – инициировать детонацию уже сжатой мишени в hohlraum прямым импульсом короткого (в доли наносекунды) так называемого петаваттного лазера.

Нейтронный выход, обычно получаемый в опытах по лазерному сжатию (опыты ведутся, как правило, на чистом дейтерии), составляет от 1010 до 1012 нейтронов за импульс. Достигнутый коэффициент сжатия DT-льдинки около 100. Применение петаваттного лазера позволяет увеличить нейтронный импульс по утверждению авторов на три порядка величины. Очевидно, что эти пока еще сравнительно скромные результаты отражают тот факт, что на мишень удается передать относительно малую энергию (≈ 100 кДж). Кроме того, плотная плазма, возникающая в hohlraum-объеме, имеет особенность частично экранировать стенку (то есть ее нагрев) от первичного лазерного пучка. Дело в том, что прохождение

36

электромагнитного излучения сквозь плазму становится возможным лишь после того, как его частота превысит, так называемую, электронную плазменную частоту, пропорциональную n0.5. Это заставляет переходить на более высокие гармоники лазера, теряя при этом мощность.

Если предположить, что стоимость пропорциональна подводимой энергии, возможную цену лазерного поджига (Q=100) можно оценить более чем в $10 млрд., то есть в стоимость чуть не десяти атомных субмарин! И тем не менее, рано или поздно, но эти деньги могут быть выделены. Сегодня уже не принято скрывать, что основная цель исследований по инерционному УТС – уточнение механизма “работы” водородного оружия, а отнюдь не создание энергетического реактора. Мир тратит сегодня «на порох» около $2 млрд. в день! Очевидно, что на эти цели средства есть и будут, поэтому на перспективы лазерного синтеза можно смотреть с оптимизмом. Лазерный проект, аналогичный американскому, создается во Франции и существенно более скромные – в Японии и у нас (г.Саров, НИИЭФ «Искра-7»).

Другой, в некотором роде революционный подход к созданию источника мягкого рентгеновского излучения был предложен в нашей стране коллективом ученых, работающих на импульсной установке «Ангара-5» (г.Троицк ГНЦ РФ ТРИНИТИ, рис.9) под руководством академика В.П. Смирнова. Мощный восьмиканальный емкостной накопитель был применен ими для сжатия мишеней путем электродинамического ускорения «тяжелых» оболочек. В основу идеи был положен давно известный самосжимаемый разряд (пинч-эффект), получивший широкое распространение на заре термоядерных исследований. Именно в нем были получены первые нейтроны, имевшие, к сожалению, ускорительную природу. В новом качестве эта идея была использована не для ускорения водородной плазмы, подверженной неустойчивостям, а для ускорения существенно более устойчивой вольфрамовой оболочки (лайнера) с тем, чтобы столкнуть ее затем с более легкой (органической пеной) и использовать возникшее при этом мягкое рентгеновское излучение (≈80 эВ) уже для сжатия внутренней водородной

37

мишени. Важным результатом этих опытов стало создание источника мощного рентгеновского излучения. В мягкий рентген

– потенциальный инструмент сжатия мишени – удалось трансформировать энергию до 100 кДж. Идея была подхвачена в США, где на более мощном накопителе удалось получить уже до 1МДж мягкого рентгеновского излучения.

Эти работы, начатые в России в середине 1990-х гг., в ситуации, скажем прямо, разгромной для нашей науки, получили, однако, широкий международный резонанс. Европейское физическое общество присвоило в 2005 г. за работы в этом направлении трем ученым: двум из США и В.П. Смирнову из России – почетную премию имени Х. Альфвена. Как говаривал Наполеон: героем в эпоху побед быть легко, гораздо почетней быть героем в эпоху поражений!

Рис.9. Общий вид установки инерционного синтеза «Ангара-5» (Россия, ГНЦ РФ ТРИНИТИ)

Можно ли рассчитывать, хотя бы в далеком будущем, на создание импульсного энергетического реактора на базе инерционного синтеза? Можно. На основе экономически разумного, то есть дешевого, драйвера. Определенные успехи в этом направлении есть. Во-первых, это - освоение электродинамического метода генерации мягкого рентгена.

38

Кроме того, освоение системы лазерной накачки на базе светодиодов вместо прежних ламп-вспышек. Работая в более узком спектральном диапазоне, они позволяют существенно снизить энергозатраты на отдельный лазерный импульс. Процесс удешевления пошел, но сделаны только первые шаги.

Магнитное удержание

Каков прогресс и перспективы в области магнитных ловушек, ориентированных на реактор? Магнитные поля, удерживающие горячую зону от контакта со стенками реактора (магнитная термоизоляция), создают с помощью сверхпроводников, что позволяет снизить внутренние энергетические затраты на эксплуатацию реактора до разумного уровня. Величины магнитных полей при этом ограничиваются предельной магнитной индукцией существующих сверхпроводников ( около 8–9 Тл). Тем самым ограничивается и предельное давление DT-смеси ~ nT. Оно должно быть, по крайней мере, меньше магнитного. Это, как следует из выражения (8), означает, что для движения к термоядерному поджигу необходимо всемерно увеличивать τЕ. Этого достигают, совершенствуя плазменную термоизоляцию.

Рис.10. Динамика роста мощности термоядерного синтеза, произведенного в различных экспериментальных установках на протяжении 20 лет, с 1975 по 1995 гг.

39

На рис.10, взятом из буклета Министерства энергетики США, приведена временная диаграмма максимальной мощности управляемого ядерного синтеза, полученной в разных странах и разных исследовательских лабораториях на магнитных ловушках

– токамаках в период от 1975 до 1995 г. Диаграмму сопровождало резюме: “Прогресс в синтезе был постоянным и драматическим. Термоядерная мощность, произведенная в экспериментальных установках, возросла более чем в 100 миллионов раз: от 0,1 ватта в 1975 до более чем 10 миллионов ватт в 1995 году”. С гордостью можем сказать, что нижние, опорные точки этой диаграммы получены на наших отечественных токамаках в начале и середине семидесятых.

Наконец, 30 октября 1997 г. в одном из экспериментов по синтезу дейтерия и трития на объединенном европейском токамаке-реакторе JET (Joint European Torus, Англия) была достигнута рекордная мощность ядерного энерговыделения – более 16 МВт (соответствующая точка не попала на диаграмму), что примерно соответствует уровню первой атомной электростанции. Как показали расчеты, эта мощность примерно сравнялась с мощностью энергопотерь нагретого вещества W/τE. Тем самым свершилось вполне историческое событие в исследованиях по управляемому синтезу – достижение режима “перевала” (breakeven) – равенства энергопотерь и ядерного энерговыделения. Через некоторое время рекорд был практически повторен на другом конце земного шара – в Японии.

Правда, пока этот замечательный результат получен лишь в переходном импульсном режиме длительностью масштаба секунды на установке с «теплым» магнитным полем. Пока это еще “чирканье” термоядерными спичками. Для энергетического реактора необходим режим стационарного или квазистационарного (многосекундного) горения. Для этого необходимо соединить в одной экспериментальной установке «термоядерное пламя» и магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими катушками, как известно, почти не потребляющими электроэнергию. И подобные устройства малой мощности уже есть. «Горение» в них длится сотни секунд, но, к сожалению, это пока лишь сильно уменьшенные модели

40