Светореактивное давление

Нагрев образца лазерным излучением сопровождается возникновением сил теплового происхождения. В мощных лазерных пучках они на много порядков превышают световое давление. Их можно условно разделить на три группы:

1. конвективныесилы, которые связаны с нагревом среды, окружающей облучаемое тело, и последующим возникновением потоков газа или жидкости, которые в свою очередь воздействуют на тело;

2. радиометрические силы возникают на молекулярном уровне и наиболее ярко проявляются в разреженных газах. Скорость молекулы после соударения с нагретой поверхностью больше, чем начальная, что и приводит к появлению дополнительного давления, пропорционального разности квадратных корней из температур поверхности и среды;

3. светореактивное давлениеP_срвозникает в процессе испарения вещества с поверхности облучаемого тела. По величине оно пропорционально скорости истеченияυ_истиспаренного вещества и скорости изменения массы единицы поверхностиm_п:

. (1)

Скорость изменения массы можно грубо оценить, разделив интенсивность поглощенного света Iна удельную теплоту парообразованияQ_п. При этом не учитывается энергия, затраченная на разогрев вещества до температуры плавления и само плавление, так как она обычно почти на порядок меньшеQ_п. С учетом этого замечания формулу (1) запишем в виде

. (2)

С помощью мощных световых импульсов можно получить . Обсуждаются возможности использования светореактивного давления для ускорения микрочастиц и даже для изменения траектории искусственных спутников Земли.

Лазерное сверхсжатие вещества. Физические принципы лазерного термоядерного синтеза

Возможности получения с помощью фокусировки излучения мощных лазерных систем интенсивности света порядка 10¹⁶Вт/см², приводящих к быстрому разогреву вещества и его чрезвычайно сильному сжатию за счет светореактивного давления, стимулировали работы в области лазерного термоядерного синтеза.

В основе термоядерного синтеза лежит реакция между ядрами дейтерия и трития

,

в результате которой выделяется энергия около 17 МэВ (1 МэВ=1,6∙10^-19Дж). Расчет показывает, что для преодоления кулоновских сил отталкивания необходимо нагреть смесь дейтерия и трития (термоядерную плазму) до температуры порядка 10⁸К. Кроме того, нужно, чтобы за достаточно большое число единичных актов взаимодействия, и выделившаяся энергия превысила затраченную на разогрев. Это приводит к критерию Лоусона

,

связывающему концентрацию частиц nи время удержания плазмы. Физический смысл этого критерия достаточно ясен: чем больше частиц в единице объема, тем скорее ион дейтерия встретит ион трития. С другой стороны, чем дольше удерживается плазма, тем больше времени для поисков партнера по реакции.

В 1962 г. Н. Г. Басов и О. Н. Крохин выдвинули идею быстрого нагрева плазмы и инерциального удержания с помощью мощных лазерных импульсов. В современных установках лазерного термоядерного синтеза используются сферические мишени диаметром около 100 мкм, симметрично облучаемые со всех сторон (рис. 1). Под действием света происходит быстрый разогрев вещества, сопровождаемый испарение поверхности мишени. Возникающее при этом светореактивное давление порождает волну сжатия, распространяющуюся к центру мишени. В свою очередь, кинетическая энергия ударной волны превращается в тепло. Все эти процессы разыгрываются за время 10^-9с и носят характер микровзрыва. Плотность плазмы в центре мишени по теоретическим оценкам возрастает почти в 10⁴раз относительно исходной.

Уже проведены успешные эксперименты по сверхсжатию вещества при всестороннем облучении. Достигнута плотность плазмы около 30 г/см³при тепмпературе. В России и США созданы сверхмощные лазерные системы на неодимовом стекле (λ=1,06 мкм) с энергией в импульсе 10³–10⁵Дж. Принципиальная возможность создания опытной термоядерной электростанции возникнет скорее всего после создания мощных импульсных лазеров с КПД около 10-20%.

(У Т С)

УТС – процесс слияния легких атомных ядер, проходящий с выделением энергии при высоких T и регулируемых управляемых условиях. Пока еще не реализован. Реагирующие ядра д. б. сближены на расстояние порядка 10¹¹ см, после чего процесс их слияния происходит с заметной вероятностью за счет туннельного эффекта. Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся легким ядрам (Н-Р, Р-Р) д. б. сообщена энергия ~10 кэВ, что соответствует температуре ~10⁸ К.

С увеличением заряда ядер их кулоновское отталкивание усиливается,, поэтому энергия, необходимая для реакции, увеличивается (). Однако, эффективное сечение (Р₁Р)-реакций, обусловленных слабыми взаимодействиями (Слабоевзаимодействие – одно из четырех известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами. Оно гораздо слабее не толькосильного, но иэлектромагнитноговзаимодействия, но гораздо сильнеегравитационного. Слабые процессы протекают чрезвычайно медленно. Н-Р при энергиях ~1 ГэВ процесс,, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время 10^-24с, электромагнитный процесс – за время ~10^-21с, а «слабый процесс» – за время ~10^-10с.), очень малы.

Реакции между тяжелыми протонами водорода (дейтерием и тритием) обусловлены сильным взаимодействием и имеют сечение на 22-23 порядка выше. Различия в величинах энерговыделения в реакциях синтеза не превышают одного порядка. При слиянии ядер дейтерия и трития, оно составляет 17,6 МэВ. Высокое энерговыделение и большая скорость этих реакций делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы УТС. Однако, тритий радиоактивен (период полураспада 15,5 лет) и не встречается в природе . Следовательно, в реакторе на этой смеси должна быть предусмотрена возможность его воспроизведения. С этой целью рабочая зона реактора может быть окружена слоем легкого изотопа Li, в котором будет идти реакция:

Эффективное сечение термоядерной реакции быстро возрастает с Т, но даже в оптимальных условиях остается несравненно меньше эффективного сечения атомных столкновений. По этой причине реакции синтеза должны происходить в полностью ионированной плазме, нагретой до высокой температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов отсутствуют и столкновениеd-dилиd-tрано или поздно завершаются ядерным синтезом.

Удельная мощность ядерного энерговыделения реактора равна произведению числа актов ядерных реакций, происходящих ежесекундно в единице объема рабочей зоны реактора, на энергию, выделяющуюся при каждом акте реакции.

Применение законов сохранения энергии и числа частиц позволяет выяснить некоторые общие требования, предъявляемые к термоядерному реактору, не зависящие в первом приближении от к.-л. особенностей технологического и конструкторского характера. На рисунке изображена принципиальная схема работы реактора. Установка содержит чистую водородную плазму плотностью n при температуре T. В реактор вводится «топливо», например равнокомпонентная смесь дейтерия и трития, уже нагретая до необходимой температуры. Внутри реактора инжектируемые частицы сталкиваются между собой, и происходит их ядерное взаимодействие с выделением энергии. Параллельно с этим, однако, часть энергии теряется:

1. за счет тормозного излучения плазмы;

2. ухода некоторой доли высокоэнергетичных частиц, не успевших провзаимодействовать;

3. охлаждения плазмы за счет различных для каждой конкретной установки механизмов и за счет выгорания ядерного топлива.

Пусть – среднее время удержания частиц в реакторе. Смысл величинытаков: за 1 с из 1 см³ плазмы в среднем уходит частиц каждого знака. В стационарном режиме в реактор нужно ежесекундно инжектировать такое же число частиц (в расчете на единицу объема). А для покрытия энергетических потерь подводимое топливо должно подаваться в зону реакции с энергией, превышающей энергию потока ускользающих частиц на величину потерь, обусловленных электромагнитным излучением плазмы. Пусть коэффициент преобразования в электроэнергию энергии, выделяющейся в ядерных реакциях, энергии электромагнитного излучения и тепловой энергии частиц одинаков и равен. Тогда в условиях стационарной работы системы и при нулевой полезной мощности, когда во внешнюю сеть электроэнергия не отдается, уравнение баланса энергии в реакторе имеет вид

,

где P₀ – мощность ядерного энерговыделения;

P_r – мощность потока излучения;

P_t – энергетическая мощность ускользающих частиц.

Когда левая часть равенства становится больше правой, реактор начинает работать как электростанция, подавая энергию в сеть, а не потребляя ее.

Величины P₀, P_r и P_t известным образом зависят от Т плазмы, и из уравнения баланса легко вычисляется произведение , гдеf(T) для заданного значения и выбранного сорта топлива есть вполне определенная функция температуры. На рисунке 2 приведены графикиf(T) для двух значений и для обеих ядерных реакций (d,d) и (d,t).

Если величины , достигнутые в данной установке, расположатся вышеf(t), это будет означать, что система работает как генератор энергии. При энергетически выгодная работа реактора в оптимальном режиме (минимизм на кривых) для реакции (d,d) отвечает условию (т. н. Лоусона критерий)

,

а для реакции (d,t) – условию

.

Таким образом, даже в оптимальном режиме для реактора, работающего на равнокомпонентной смеси дейтерия и трития, и при весьма оптимистических предположениях относительно величины кпд необходимо достижение температур . При этом для плазмы плотностьюсм^-3 должны быть обеспечены времена удержания порядка секунд (T,nсм³, ).

Если хотим работать при более низких температурах, надо будет .увеличивать значение n или .

Таким образом, сооружение реактора предполагает:

1) получение плазмы, нагретой до температур ;

2) сохранение в рабочей зоне реактора плазмы с заданной плотностью в течение времени, необходимого для протекания ядерных реакций.

Так как в рассмотренный критерий реализации реактора синтеза n и входят не независимо, а в виде произведения, то исследования по проблеме УТС ведутся в двух основных направлениях:

1) разработки квазистационарных систем с магнитным удержанием плазмы;

2) разработки предельно быстродействующих систем с инерциальным удержанием плазмы.