Лазерный термоядерный синтез

Предложение использовать лазер для целей УТС впервые было высказано в России еще в 1961 г. Н.Г. Басовым и О.Н. Крохиным. Лазерный луч можно сфокусировать в малый объем < 10^-6 см³. Лазер позволяет генерировать короткие 10^-12 ... 10^-9 сек импульсы. Поэтому при нагреве плазмы лазерным излучением можно вообще не заботиться об удержании плазмы, за такое короткое время частицы вещества просто не успевают разлететься. Плазма «удерживается» силами инерции.

Таким образом, лазерный термоядерный реактор должен состоять из многоканальной лазерной системы, построенной таким образом, чтобы облучать коротким импульсом излучения симметрично со всех сторон малую сферическую мишень. Мишень содержит ряд концентрических оболочек, окружающих полость размером ~ 1 мм. Внутри полости помещено термоядерное горючее - смесь дейтерия и трития.

Наружная испаряемая оболочка мишени используется для сжатия термоядерного топлива. При облучении мишени мощным лазерным импульсом определенной формы реактивное давление, возникающее из-за разлета материала оболочки, возбуждает ударную волну, устремляющуюся к центру мишени. При этом плотность вещества мишени возрастает в сотни раз, а температура центральной части мишени достигает необходимого значения 10⁸ К не только за счет нагрева мишени излучением, но и за счет ее адиабатического сжатия. Такое сжатие крайне выгодно, так как адиабатический нагрев сопровождается повышением плотности вещества мишени. Дальнейшее поддержание температуры мишени происходит уже непосредственно за счет энергии начавшейся термоядерной реакции.

Таким образом, работа лазерного термоядерного реактора будет осуществляться в виде периодических взрывов миниатюрной водородной бомбы. Согласно расчетам коэффициент усиления (отношение выделившейся энергии термоядерного синтеза к энергии лазерных лучей) в облучаемой лазером мишени К может достигать 1000, что достаточно для создания экономически рентабельной термоядерной электростанции.

Чтобы взрыв крупинки термоядерного горючего, эквивалентный взрыву сотен килограмм обычной взрывчатки, не разрушил установку он должен происходить в вакууме. Как известно, основной разрушающий фактор взрыва – ударная волна, в вакууме не возникает. Поэтому в вакууме энергия взрыва высвобождается в виде мощной вспышки излучения, которое будет поглощаться стенками реактора. Тепло от стенок реактора отводится теплоносителем (водой). Электрическая энергия будет вырабатываться обычным паротурбинным генератором.

В различных лабораториях в США СССР и Японии проводились эксперименты на больших многоканальных лазерных установках. К 1990 г. были получены результаты, подтверждающие перспективность лазерного термоядерного синтеза. Нерешенной проблемой долгие годы оставалась очень низкая эффективность лазерных установок. В световую мощность, доставляемую к мишени, лазеры первого поколения преобразовывали всего сотые доли процента затраченной электрической энергии. В экономически рентабельном термоядерном реакторе кпд лазера должен превышать ~ 1%.

Прорыв наметился к 2000 г., когда были созданы полупроводниковые лазеры с кпд, достигающим ~50%. Использовать полупроводниковые лазеры непосредственно для нагрева термоядерной мишени невозможно, их параметры для этого не подходят. Однако, оказалось, что линейки, состоящие из большого числа полупроводниковых лазеров могут служить эффективным источником накачки для лазеров на кристаллах, активированных неодимом, которые и генерируют импульс с необходимыми параметрами.

Полупроводниковые лазеры на гетероструктурах арсенида галлия могут быть изготовлены таким образом, что длина волны их излучения будет точно попадать в полосу поглощения неодима. Таким образом возможно создание высокоэффективных твердотельных лазеров с кпд ~ 10%, генерирующих короткий мощный импульс в виде мало расходящегося луча. Установка термоядерного синтеза должна содержать многоканальную лазерную систему, генерирующую синхронно, например, в 24 лучах импульс заданной формы с длительностью ~ 10^-10 секунды с энергией более 10000 Дж (мощность импульса должна быть ~ 10¹⁴ Вт). Лазерные лучи со всех сторон равномерно облучают сферическую многослойную мишень радиусом порядка миллиметра, нагревают и сжимают ее вызывая «зажигание» термоядерного горючего.

По пессимистическим оценкам термоядерные электростанции заработают к концу XXI в. По оптимистическим оценкам это событие состоится уже через 20 лет.

В США и во Франции в настоящее время реализуют проекты по созданию прототипов лазерного термоядерного реактора стоимостью ~ 1,3 млрд. долларов каждый.

Туннельный эффект

Туннельный микроскоп

Для малых линейных перемещений элементов экспериментальных установок широко используются пьезоэлектрические преобразователи. Действие преобразователей основано на пьезоэлектрическом эффекте. В кристаллических материалах, называемых пьезоэлектриками, при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация (прямой пьезоэффект). В этих же материалах наблюдается и обратный пьезоэффект - появление механической деформации под действием электрического поля. Причем, эта деформация пропорциональна приложенному электрическому напряжению. Таким образом, основная часть пъезоэлектрического преобразователя состоит из отдельных, или объединенных в группы пластинок из пьезоэлектрического материала. На обе стороны пластинок наносятся металлические электроды, к которым подводится управляющее электрическое напряжение для создания деформации в результате обратного пьезоэффекта. Чаще всего для изготовления пьезопреобразователей используется специальная пьезокерамика, изготавливаемая методом спекания из порошков титаната бария и цирконата свинца (PLZT - керамика).

При подаче электрического напряжения порядка 10 В столбик, собранный из нескольких пьезокерамических пластинок укорачивается или удлинняется на  0,1 мкм. Таким образом, изменяя электрическое напряжение на пьезопреобразователе можно осуществлять точное и воспроизводимое перемещение нужного элемента экспериментальной установки, например, зеркала (лазерного резонатора или интерферометра), прикрепленного к пластине этого пьезопреобразователя с одной стороны. Другой конец пластины или столбика из пластин прикрепляется к основанию, относительно которого осуществляется перемещение.

R

R₀



0 ₀ 

Рис.53. Принцип действия туннельного микроскопа.

И спользование этого принципа перемещения и компьютерного управления этим перемещением в трех взаимно перпендикулярных направлениях привело к созданию современных методов исследования поверхностей материалов с пространственным разрешением на уровне размеров атомов. Это так называемые туннельный микроскоп. За создание туннельного микроскопа швейцарский ученый H Pohra и два немецких ученых E. Rushka и G. Binning в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

В качестве зонда, сканирующего исследуемую поверхность в туннельном микроскопе используется острие металлической иглы, находящееся на малом расстоянии  от исследуемой проводящей поверхности (рис.53а). Когда промежуток между концом иглы и поверхностью соизмерим с де-Бройлевской длиной волны электрона в металле, становится заметным туннельный эффект. При этом с определенной вероятностью электроны проводимости могут преодолевать изолирующий промежуток. Если между иглой и поверхностью приложено небольшое электрическое напряжение, то электрическое сопротивление цепи сильно зависит от величины зазора между концом иглы и поверхностью (рис. 53, б). Когда игла касается поверхности сопротивление равно нулю. При удалении от поверхности сопротивление возрастает не скачком, а постепенно вследствие туннельного эффекта.

Игла туннельного микроскопа прикреплена к трехмерному пьезоэлектрическому преобразователю. С помощью электронной схемы обратной связи на преобразователь, осуществляющий вертикальное перемещение подается такое управляющее напряжение, чтобы зазор между иглой и поверхностью все время оставался постоянным и равным R₀ при смещении иглы в направлениях, параллельных исследуемой поверхности. Cмещение иглы в плоскости исследуемой поверхности осуществляеют двумя другими пьезопреобразователями.

На экран монитора компьютера, управляющего процессом измерения, выводится трехмерный график (рельеф исследуемой поверхности) - зависимость вертикального перемещения иглы от координат X и Y ее горизонтального перемещения.

Конец иглы туннельного микроскопа должны иметь атомные размеры. Такой конец формируется методом проб и ошибок с помощью электрического разряда между иглой и металлической поверхностью за счет подачи на иглу электрических импульсов тока регулируемой мощности. При электрическом разряде, когда на иглу подается положительный потенциал относительно металлической поверхности, часть материала острия иглы в виде положительных ионов удаляется и переносится на отрицательно заряженный электрод.

Туннельный эффект в ядерной физике – альфа-распад ядер

Рис. 54. Зависимость периода полураспада альфа-радиоактивных ядер  от . Е -энергия испускаемой альфа-частицы .

Теория предсказывает:

Gamov G. Quantum Theory of Nuclear Desintegration, Nature 122, 805 (1928).

Пример туннельного эффекта в классической оптике – нарушенное полное внутреннее отражение.

86