ионный термоядерный синтез

ИОННЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ (ИТС) - возбуждение реакции термоядерного синтеза в дейтерийтритиевой (DT) мишени путём сжатия и разогрева мишени бомбардировкой пучками ускоренных ионов. ИТС не осуществлён, а находится в стадии разработки. Мишень для ИТС представляет собой шаровой слой из замороженной DT смеси массой в неск. мг, окружённый тяжёлой металлич. оболочкой, к-рая может иметь сложную несферич. форму. Реакция синтеза развивается благодаря тому, что сжатая и разогретая DT смесь в течение достаточного для реакции времени инерционно удерживается от разлёта тяжёлой наружной оболочкой. Идея ИТС высказана в 1974. Мишень помещается в центре вакуумированного объёма радиусом до 10 м и облучается одновременно неск. десятками импульсных ионных пучков, симметрично расположенных в одной плоскости. Устройство, ускоряющее и формирующее ионные пучки (драйвер), находится вне объёма реактора. Исследуются физ. модели мишеней разл. структур. На рис. 1 в качестве примера схематично показана одинарная трёхслойная мишень шаровой формы. Энергия ионов выделяется в основном в промежуточном слое, состоящем из свинцойо-литиевой эвтектики. Механизм выделения энергии - классич. процессы ионизации.

Рис. 1. Схема одинарной трёхслойной мишени.

Суммарная энергия ионных пучков должна составлять от 3 до 10 МДж при длительности 20430 нс, а суммарная мощность от 100 до 500 ТВт, что позволяет разогреть промежуточный слой до темп-ры ~100эВ. Благодаря быстрому разогреву промежуточного слоя развивается огромное давление ~10⁷ МПа, сжимающее по объёму DT смесь в 10³-10⁴ раз и разогревающее её до темп-р свыше 2 кэВ. Для разогрева DT смеси, помимо сходящейся ударной волны, эффективно используется эл.- магн. излучение, к-рое в основном задерживается внутри мишени. Эти процессы приводят к началу ИТС в центр, части мишени. Термоядерные a-частицы, образующиеся при развитии реакции синтеза, также задерживаются в мишени и отдают свою энергию соседним участкам. От центр, участков DT смеси к её внеш. слоям распространяется термоядерная волна горения, в результате чего должно происходить почти полное сгорание всей DT смеси. На рис. 2 представлена теоретич. зависимость термоядерного выигрыша Y (отношения энергии, полученной в реакции синтеза, к энергии, вложенной в мишень) в одинарной мишени от величины вложенной в мишень энергии. Ширина полосы соответствует неопределённости совр. теории. При вложении энергии 10 МДж можно ожидать термоядерного выигрыша Y=100. Особенности ИТС - пространственное разделение

Рис. 2. Зависимость термоядерного выигрыша в одинарной мишени от величины вложенной в мишень энергии.

драйвера и реактора, упрощающее выбор конструкции и материалов реактора; объёмное вложение энергии в мишень, существенно повышающее долю полезно используемой энергии пучков; применение ионных ускорителей, развитие к-рых стимулируется мн. областями физики и техники; высокая прозрачность каналов транспортировки пучков. Макс, мощность Р, к-рую может передать ионный пучок, фокусируемый на мишень, ограничена кулоновским расталкиванием частиц в пучке Р~(g-1)b³g³(A/Z)² и магн. самоограничением тока пучка P~(g-l)bg(A/Z)² [здесь b - отношение скорости иона к скорости света; g - лоренц-фактор: g=(1-b²)^-1/2; А - ат. масса, Z - заряд иона]. Пробег ионов в мишени не должен превышать 0,2-0,8 г/см². Протоны обладают таким пробегом при энергиях ~10 МэВ, а тяжёлые ионы (А/200) при энергиях 504100 МэВ/нуклон. Как видно из приведённых ф-л, передача мощности ионными пучками существенно упрощается при высоком значении энергии ионов и большом отношении A/Z. Поэтому предпочтительны установки, в к-рых могут быть применены пучки тяжёлых малозарядных ионов, как, напр., Вi⁺¹, Bi⁺², U⁺², U⁺⁴. Для ускорения ионов в драйвере предполагается использование линейных ускорителей (ЛУ): индукционных ускорителей (ЛИУ) и резонансных ускорителей (ЛРУ) (подробнее см. Тяжёлых ионов ускорители ).При конечной энергии ионов ~10 ГэВ и полной энергии пучка ~10 МДж на мишень должен поступить заряд ~10^-3 кулона. Требуемый заряд пучка на входе ЛУ образуется за счёт достаточно большой длительности импульса тока. Необходимая мощность пучка на выходе драйвера должна быть достигнута путём сокращения длительности пучка с соответствующим увеличением тока. В схеме ЛИУ за счёт подбора формы ускоряющего напряжения в индукторах длительность пучка может быть сокращена в процессе ускорения с 50 мкс до 25 нc с соответствующим увеличением суммарного тока с 20 А до 40 кА. Возникающие при этом трудности связаны с возможными коллективными неустойчивостями пучка и с повышенными требованиями к интенсивности ионных источников. В схемах драйверов с ЛРУ требуются спец. накопительные и компрессионные кольца, т. к. предельный ток пучка в ЛРУ в принципе существенно меньше, чем в ЛИУ. Ток пучка на выходе ЛРУ может составить 0,2 А при длительности 5 мс. Предполагается использование многократной и многооборотной инжекции в накопительное кольцо с последующим дополнит, сжатием сгустков в компрессионных кольцах за счёт преобразования продольного фазового объёма пучка - сокращения длительности и увеличения энергетич. разброса. В итоге длительность пучков, как и в схеме ЛИУ, сокращается приблизительно до 25 нc, а суммарный ток всех пучков на мишень доходит до 40 кА. Создание ЛУ для тяжёлых малозарядных ионов связано с необходимостью ускорения интенсивных пучков с весьма низкими нач. скоростями ионов (b~0,0015). Эту проблему удалось в значит, мере решить после открытия принципа пространственно-однородной квадрупольной фокусировки и изобретения схемы с разветвлёнными каналами ускорения. Проблемы фокусировки пучков на мишени миллиметровых размеров требуют подавления сферич. и хрома-тич. аберраций ионной оптики и исследования распространения пучков в объёме реактора. Предполагается, что один драйвер сможет обслужить до четырёх реакторов, каждый из к-рых будет работать с частотой "микровзрывов" не ниже 10 Гц. Кпд драйвера и мишени h с учётом кпд электростанций, использующих тепловую энергию синтеза, должен удовлетворять условию gYд3, откуда видно, что кпд драйвера должен быть не менее 15-20%. Ионные ускорители позволяют обеспечить это условие. Повышение полной энергии и особенно мощности импульсного пучка тяжёлых ионов откроет в дальнейшем принципиально новые возможности ИТС за счёт достижения сверхплотных сжатий вещества мишени (в 10⁵-10⁶ раз). В таком случае возможны термоядерные реакции в разл. веществах, в частности в чистом дейтерии или в боро-водородной смеси. ИТС является важным альтернативным направлением развития термоядерной энергетики; исследования по ИТС проводят мн. научные центры в ФРГ, США, СССР, Японии и Великобритании. Лит.: Keefe D., Sessler A. M., Heavy ion inertial fusion, в кн.: 11-th Int. Conf. on High-Energy Accelerators, Geneva. Proceedings, 1980, Basel-Boston-Stuttg., 1980, p. 201; Bock R., Heavy ion fusion, "IEEE Trans. on Nuclear Science", 1983, v. NS-30, №4, pt 2, p. 3049; Дюдерштадт Дж., Мозес Г., Инерциальный термоядерный синтез, пер. с англ., М., 1984; Имшенник В. С. и др., О некоторых результатах работ по проблеме управляемого термоядерного синтеза на тяжёлых ионах в ИТЭФ, Препринт ИТЭФ, М., 1985. И. М. Капчинский.

   <<      Предметный указатель      >>