Мискевич Прямое преобразование ядерной енергии 2011

УДК 621.373.8 ББК 32.86 М 48

Миськевич А.И. Прямое преобразование ядерной энергии в световое и лазерное излучение: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011.– 164 с.

Излагаются основные вопросы прямого преобразования ядерной энергии в световое и лазерное излучения при ядерной накачке газовых и парометаллических сред. Рассматриваются характеристики источников ядерной энергии, механизмы образования лазерно-активной среды продуктами ядерных реакций, описываются физические свойства ядерно-возбуждаемой плазмы и основные плазмохимические процессы, протекающие в ней и приводящие к селективному заселению уровней. На примерах конкретных газовых и парогазовых сред излагаются методики расчетов плазмохимических и оптических характеристик ядерно-возбуждаемой плазмы. Обсуждается современное состояние исследований, описываются конструкции существующих лазеров с ядерной накачкой и перспективы их дальнейшего развития и применения.

Пособие предназначено для студентов старших курсов, аспирантов и научнотехнических работников, специализирующихся в области использования ядерной энергии, разработки газовых лазеров, физики низкотемпературной плазмы.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. П.П. Дьяченко

ISBN 978-5-7262-1549-5

© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………...6

ГЛАВА 1. ДОСТУПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ………………………………………………..10

1.1.Экзотермические нейтронные ядерные реакции……..15 1.2.Термоядерные нейтроны и быстрые нейтроны

деления……………………………………………….19

1.3.Долгоживущие радионуклиды… …………...………22

1.4.Гамма-излучение ядерного взрыва……..…………….26

1.5.Пучки быстрых электронов и ионов…...……………..29

1.6.Взаимодействие заряженных частиц высокой

энергии с веществом….………………………………...32

ГЛАВА 2. ЯДЕРНО-ВОЗБУЖДАЕМАЯ ПЛАЗМА ГАЗОВЫХ СРЕД …………………………………………………….38

2.1.Общие характеристики и свойства плазмы………....38

2.1.1.Основные свойства плазмы……………………….38

2.1.2.Излучательные характеристики плазмы………...41

2.2.Основные особенности ядерно-возбуждаемой

плазмы……………………………………………………47

2.2.1.Рекомбинационная неравновесность плазмы…....47

2.2.2.Трековая структура плазмы…………………...…..48

2.2.3.Энергетический спектр электронов

ядерно-возбуждаемой плазмы……………………..51

2.2.4.Диффузия возбужденных атомов и ионов

вплотном газе……………………………………….54

2.3.Формирование ядерно-возбуждаемой плазмы……….55

2.3.1.Первичные процессы ионизации

ивозбуждения газа……………………………….55

2.3.2.Релаксационные процессы в буферном газе……..57

2.3.3.Релаксационные процессы в газовых

смесях………………………………………………..68 2.4. Методика расчета параметров

ядерно-возбуждаемой плазмы…..…………………….74

2.4.1.Активная среда Ar–Xe лазера с ядерной накачкой [5]………………………………………..74

3

2.4.2. Активная среда He–Cd лазера с ядерной

накачкой [50]……………………………………...78

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ НЕКОГЕРЕНТНОГО СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ…….……………………………………...83

3.1.Люминесценция плотных газовых сред…………..….83

3.1.1.Чистые инертные газы…………………………….83

3.1.2.Смеси инертных и молекулярных газов……..…...88

3.1.3.Парометаллические среды………………..……….89

3.2.Конденсированные среды……………………………...93

ГЛАВА 4. ЛАЗЕРЫ С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ………………….100

4.1. Механизмы создания инверсной заселенности уровней при ядерной накачке……………………101

4.1.1.Рекомбинационная схема………………..…...….101

4.1.2.Столкновительное заселение верхнего

лазерного уровня………………………………..102 4.1.3. Столкновительная очистка нижнего

лазерного уровня…………………………………104

4.1.4.Раздельное возбуждение компонент

активных сред ………………………………….106

4.2.Общая схема лазера с ядерной накачкой

и особенности конструкции………………………......107

4.2.1.Краткие сведения о ядерном реакторе………….109

4.2.2.Формирование поля тепловых нейтронов

влазерной кювете……………………………...113

4.2.3.Энерговыделение в радиаторе и активной

среде ЛЯН………………………………………..116 4.3. Лазерные устройства с ядерной накачкой на основе газовых и парометаллических сред…………………..119

4.4.Реактор-лазерные системы импульсного

инепрерывного действия…………………………..122 4.4.1. Экспериментальный быстрый реактор-лазер

«ЭБР-Л» ………………………………………….124

4.4.2. Оптический квантовый усилитель с ядерной накачкой «ОКУЯН» [80] ……………………..126

4

4.4.3.Установка «ИКАР-500» [5]………………….....128

4.4.4.Лазерно-реакторная установка «ЛИРА»[74]…...129

ГЛАВА 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕАКТОРА-ЛАЗЕРА

ИПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ

СЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ…………… .……………..133

5.1.Существующие проблемы …………………………...133 5.1.1. Срок службы ЛЯН………………………………...133 5.1.2. Коэффициент полезного действия

реактора-лазера………………………………………140

5.1.3. Расходимость лазерного излучения……………..143

5.2.Возможные пути решения и будущие вероятные

применения ЛЯН…………………………………….146

5.2.1.Проблемы радиационной стойкости……………146

5.2.2.Проблемы повышения КПД ЛЯН……………….146

5.2.3.Проблемы с расходимостью излучения ЛЯН… 150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………….154

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………..155

5

ВВЕДЕНИЕ

Создание ядерного оружия показало, какими огромными возможностями обладают ядерные источники энергии. Это их исключительно высокая энергоемкость, компактность и простота извлечения любых количеств энергии. Заряд ядерной взрывчатки, эквивалентный 20 тыс. т тротила, умещается на ладони руки. Для того чтобы эта ядерная энергия выделялась, достаточно создать условия, при которых масса делящегося вещества будет превышать критическую массу, в которой возникает самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Именно эти качества ядерных источников (а именно: компактность, энергонасыщенность, простота извлечения любых количеств энергии, автономность) инициировали проведение широкомасштабных исследований по созданию лазеров с ядерной накачкой в научно-исследовательских организациях США и ССCР.

Ядерные источники энергии на основе нейтронных реакций деления тяжелых ядер элементов с Z ≥ 92 и на основе термоядерных реакций синтеза тяжелых изотопов водорода – дейтерия (2Н) и трития (3Н) – являются самыми мощными и энергонасыщенными источниками энергии на Земле.

При делении ядра урана-235 тепловым нейтроном выделяется 170 МэВ энергии в виде кинетической энергии осколков деления, что в миллионы раз больше энергии химической реакции горения, составляющей ~ 10эВ в расчете на одну молекулу. В термоядерной реакции D + T → 4He + n выделяется соответственно 17,6 МэВ энергии в виде кинетической энергии ядра гелия (~3,5 МэВ) и быстрого нейтрона (14 МэВ). В пересчете на единицу массы эта термоядерная реакция вырабатывает почти в 5 раз больше энергии, чем реакции делении ядра урана.

Техническое использование энергии нейтронных ядерных реакций деления ядер урана-235 или плутония-239 связано с разработкой атомной бомбы, где реализован механизм взрывного неуправляемого выделения энергии, и с ядерными реакторами, где осуществляется контролируемая цепная реакция деления ядер урана (или плутония) и происходит превращение ядерной энергии в тепловую форму. Однако для получения других видов энергии более высокого качества, чем тепловая энергия, требуется превра-

6

щать с помощью паровой турбины выделяемое в ядерных реакциях тепло в механическую энергию, а затем (уже с помощью электрического генератора) вырабатывать электрическую энергию и получать все другие виды энергии, включая световую.

Техническое использование энергии термоядерных реакций синтеза ядер водорода (дейтерий, тритий) пока ограничивается только термоядерными бомбами со взрывным неуправляемым выделением энергии. Попытки создания управляемого термоядерного реактора ведутся в течение более чем 50 лет, однако в силу исключительной технической сложности этой задачи пока остаются безуспешными. Будем надеяться, что реализуемый сейчас международный проект постройки термоядерного реактора ИТЭР на основе концепции ТОКАМАК* позволит осуществить эту задачу.

А можно ли напрямую, без промежуточных преобразований, получать световую энергию из ядерных реакций? Да, можно. Хорошо известно, что при торможении ядерных частиц в газовых, жидких и твердых средах наблюдаются процессы, сопровождающиеся испусканием светового излучения. Еще Эрнест Резерфорд и его сотрудники в своих знаменитых опытах по рассеянию альфачастиц регистрировали такие световые вспышки от отдельных аль- фа-частиц, возникающие на экране, покрытом тонким слоем ZnS. На рис.В.1 показаны этапы преобразования энергии деления ядра урана для получения лазерного излучения с помощью электроразрядного лазера и лазера с ядерной накачкой (ЛЯН). Коэффициент полезного действия атомной электростанции составляет сейчас около 25 %, а КПД лучших электроразрядных лазеров ~ (1÷10) %. Таким образом, коэффициент превращения ядерной энергии в лазерное излучение не превышает 2 %. Оценки, сделанные в работах [1, 2], показывают, что при устранении многоступенчатости в преобразовании одного вида энергии в другой, системы с прямым преобразованием ядерной энергии будут обладать значительно более высоким КПД, чем традиционные системы, и могут превращать в световое излучение до 70 % энергии ядерных реакций.

Принципиальное отличие лазеров с ядерной накачкой от лазеров обычного типа состоит в том, что в этих лазерах:

а) активная среда возбуждается ядерными частицами с энергией от 100 кэВ до 100 МэВ;

7

может быть получена лазерная генерация. Такова общая схема работы лазера с ядерной накачкой.

Начало работ по прямому преобразованию ядерной энергии в световое и лазерное излучение относится к 1958 г., когда фирма

n и рентгеновских лучей для накачки жидких, твердых и газообразных сред [3]. В те годы один из создателей первого газового лазера WR Bennett тоже занимался этой тематикой [4]. Интерес к данной тематике связан с тем, что из-за исключительно высокой энергоемкости ядерных источников энергии на основе таких лазеров с ядерной накачкой возможно создание эффективных сверхмощных лазерных систем различного применения [5, 6]. Интенсивность исследований по ядерной накачке сильно возросла после 1960 г, когда в печати появилось сообщение о запуске рубинового лазера (Maiman T.H. Phys. Rev Letters.1960.V.4.P.564). В США к работам подключились университеты штатов Северная Каролина, Иллинойс, Флорида, военные лаборатории (US Missile Command, MHD Research, United Aircraft Labs) , фирма General Atomic. Позднее – Sandia National Labs, NASA-Langley и ядерный центр

Livermore. Несмотря на такое серьезное количество участников, работы шли трудно, и первые положительные результаты были получены только в 1974 г. [7, 8] .

В СССР работы по ядерной накачке были начаты в 1968 г. в трех организациях – Институте атомной энергии им. академика И.В. Курчатова (ИАЭ), Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ (НИИЯФ МГУ) и Вcесоюзном научно-исследова- тельском институте экспериментальной физики (ВНИИЭФ, г. Ар- замас-16, ныне г. Саров) [9, 10]. Попытки сотрудников ИАЭ и НИИЯФ МГУ совместно запустить лазеры на парах ртути и переходах молекулы СО2 не увенчались успехом, и вскоре эти работы прекратили. ВНИИЭФ продолжал исследования и в 1972 г. смог запустить (первым в мире) лазер с ядерной накачкой. Эту работу в основном выполнили выпускники МИФИ (кафедры 23 и 1). К сожалению, из-за режима секретности, существовавшего в то время, им удалось опубликовать свои результаты только в 1979 г. [10], и поэтому официально приоритет создания первого лазера с ядерной накачкой принадлежит США.

9

ГЛАВА 1. ДОСТУПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Источником энергии, выделяющейся при ядерных реакциях, является изменение массы частиц после ядерного превращения. Из теории относительности следует, что между массой вещества М и энергией Е существует связь:

Е= М с2 или М = Е/c2 .

Эта формула была получена впервые Эйнштейном в 1905 г., и она лежит в основе всей ядерной энергетики, включая её мирное и военное использование.

Пример. Оценим, какое количество энергии содержит 1 г вещества, если его целиком превратить в энергию:

Е = 1 г. 3.1010 см/c . 3.1010 cм/c = 9.1020 эрг = 9.1013 Дж (1 Дж = 107 эрг).

Это очень большая величина, эквивалентная энергии, выделяющейся при сгорании примерно 1,5.106 л бензина.

К сожалению, пока не удается полностью превращать массу в энергию. В известных сейчас нейтронных ядерных реакциях лишь небольшая часть первоначальной массы частиц превращается в энергию. Исключение составляют реакции аннигиляции частиц и античастиц, например электрона и позитрона, при которой обе частицы исчезают и возникают 2 гамма-кванта с энергией 0,51 МэВ. В случае реакции деления ядра урана-235 в энергию переходит из 236 а.е. начальной массы (235 а.е.-уран плюс 1 а.е.-нейтрон) только 0,21 а.е.

Пример. Одна атомная единица массы соответствует 1/16 массы изотопа 8О16

и составляет 1,657.10-24 г. Этой массе эквивалентна энергия

1 а.е. = 1,657.10-24 г . 3.1010 см/c . 3.1010 cм/c = 1,4913.10-3 эрг = 931 МэВ (1 эВ = 1,6 10-12 эрг).

Рассмотрим, за счет чего же происходят изменение массы частиц и выделение энергии при ядерных превращениях. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество протонов определяет заряд ядра Z, а сумма масс протонов и нейтронов – его атомный вес А. Число протонов в ядре равно Z, а число нейтронов – (А – Z).

10