лазер в термоядерных реакциях. Документ Microsoft Office Word (3). Доклад (по дисциплине Введение в профессиональную деятельность) По теме Лазерный термоядерный синтез
 Скачать 277.19 Kb.
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ «УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ КАФЕДРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ ДОКЛАД (по дисциплине «Введение в профессиональную деятельность») По теме: «Лазерный термоядерный синтез» Выполнил(а) Дубинина Ю.А. студент(ка) 1 курса, Фт-190301 группы очной формы обучения Руководитель работы Доктор физико-математических наук Кружалов А.В. Е  катеринбург 2019ОГЛАВЛЕНИЕ Введение……….……………………..……………………………………….3 Термоядерный синтез……..………………………………………………….4 Лазер………..………………………………………………………………….5 Виды лазеров…………………………………………………………..……6-8 Принцип работы лазерного термоядерного синтеза………………………9 Саратовская лазерная термоядерная установка………………………10-11 Список использованной литературы………………………………………12 Приложения…………………………………………………….……………13  ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в энергетике остро стоит проблема истощения природного топливного сырья. Перед человечеством поставлена глобальная задача – поиск альтернативных источников энергии. Одним из таких источников является управляемый лазерный термоядерный синтез. Исследования по лазерному термоядерному синтезу на сегодняшний день характеризуются интенсивным развитием работ по созданию лазерных установок мегаджоульного масштаба, предназначенных для осуществления «вспышки» термоядерного топлива, при которой термоядерная энергия, выделяемая из плазмы, значительно превысит уровень энергии, затраченной на ее создание. При разработке подобных систем одной из важных задач является корректный контроль характеристик лазерной плазмы. ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ Термоядерный синтез – это процесс слияния (или синтеза) легких ядер в более тяжелые, процесс сопровождается выделением энергии связи. Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу в Советском Союзе сформулировал и предложил для неё некоторое конструктивное решение советский физик Олег Лаврентьев. Кроме него важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как Андрей Сахаров и Игорь Тамм, а также Лев Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года. Исторически вопрос управляемого термоядерного синтеза на мировом уровне возник в середине XX века. Легче всего происходит слияние изотопов водорода — дейтерия D и трития T. D + T = 4He + n + 17,6 МэВ, D + D = T + p + 4,0 МэВ, D + D = 3He + n + 3,25 МэВ. До процесса слияния ядра дейтерия и трития обладают энергией порядка 10 кэВ; энергия продуктов реакции достигает величины порядка единиц и десятков мегаэлектронвольт. Следует также отметить, что сечение реакции D + T и скорость ее протекания значительно выше (в сотни раз), чем для реакции D + D. Следовательно, для реакции D + T значительно легче достичь условий, когда выделившаяся термоядерная энергия превзойдет затраты на организацию процессов слияния. Возможны и реакции синтеза с участием других ядер элементов (например, лития, бора и т.д.). Однако сечения реакций и скорости их протекания для этих элементов существенно меньше, чем для изотопов водорода, и достигают заметных значений лишь для температур порядка 100 кэВ. Достижение таких температур в термоядерных установках в настоящее время предоставляется совершенно нереальным, поэтому лишь реакции слияния изотопов водорода могут иметь практическое применение в ближайшем будущем. ЛАЗЕРЫ Лазер, или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, например, лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров на неодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков, штрих-кодов и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза. [Приложение 1] Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом (или другая квантовая система) способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. ВИДЫ ЛАЗЕРОВ К лазерам теория предъявляет крайне жесткие требования. Кпд лазера, например, должен быть не менее 10% при энергии излучения 1-3 МДж, иначе вся выработанная термоядерная энергия попросту уйдет на питание самого лазера. Однако это требование не столь критично, ввиду возможности примерно десятикратного увеличения энергетического выхода благодаря использованию для оболочки дейтерий-тритиевой мишени делящихся материалов. Значительно более серьезными представляются трудности, связанные с лучевой прочностью лазерных материалов, оптических элементов, стабильностью работы и т. д. Так, лазер, пригодный для термоядерного реактора, должен давать порядка ста миллионов импульсов излучения без замены элементов и юстировки. При этом длительность лазерного импульса должна находиться в субнаносекундной области (менее 10-9с) при частоте повторения вспышек 1-10 Гц, то есть "стрелять" лазер должен очень короткими импульсами со скоростью минимум раз в секунду. Только при выполнении всех этих условий коэффициент усиления реактора (отношение выделившейся термоядерной энергии к энергии лазера) может достичь 100 - 1000, и термоядерная реакция наконец-то пойдет. Ясно, что сконструировать столь сложную систему с таким количеством взаимоисключающих требований - задача не из легких. Какой лазер станет основой будущей термоядерной электростанции, нет полной ясности даже в среде специалистов. Практически все имеющиеся сегодня в мире установки еще не обладают энергией, достаточной для осуществления зажигания. Наиболее вероятный кандидат на эту роль, по-видимому, лазер на неодимовом стекле с импульсной накачкой излучением светодиодов. Об этом свидетельствуют его высокий коэффициент полезного действия (до 10%) и большая частота следования импульсов (до 5 Гц), а также последние успехи в разработке светодиодных матриц. Газовые лазеры
Лазеры на парах металлов
Твердотельные лазеры
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА Суть лазерного термоядерного синтеза в том, что стеклянную ампулу с очень небольшим количеством смеси дейтерия с тритием со всех сторон облучают мощными лазерными импульсами. Ампула испаряется, а реактивное давление паров сжимает ее содержимое настолько, что в смеси "зажигается" термоядерная реакция. При этом высвобождается энергия, эквивалентная взрыву примерно 100 килограммов тротила. Она выделяется в форме нагретых до высокой температуры продуктов реакции и потока нейтронов. Говорить об этой схеме как об альтернативе стационарной системе нагревания термоядерного вещества стали в 1962 году, Николай Геннадьевич Басов, Крохин Олег Николаевич. Проблема управляемого ядерного синтеза, включая "лазерную" его "версию", все еще не решена, хотя ей исполнилось уже 50 лет, но работы в этом направлении продолжаются. Как будет выглядеть лазерный термоядерный реактор? На эту тему сейчас можно только фантазировать. Ясно одно, что целая серия симметрично расположенных мощных лазеров с расстояния в десятки метров будет методично "обстреливать" мишень - ампулу размером около сантиметра. Мишени станут подаваться в реактор несколько раз в секунду и со сверхвысокой точностью фиксироваться в его центре. Неоднородность интенсивности облучения мишени при этом не может превышать нескольких процентов, а размеры самой ампулы должны быть выдержаны с точностью до одного процента. Из теоретических работ следует, что для осуществления самоподдерживающейся реакции синтеза необходимо достичь исходной плотности дейтерий-тритиевого газа 100-200 г/см3 при температуре 3-5 кэВ. Достичь этих параметров даже при использовании мощного лазерного излучения достаточно трудно. За прошедшие десятилетия активно изучались различные типы мишеней: для прямого и непрямого облучения, однослойные и многослойные, имеющие разнообразную конструкцию и форму. При этом получен богатый расчетно-теоретический и экспериментальный материал. Исследуют мишени на крупных физических установках: "Нова" - с энергией излучения в импульсе до 120 кДж - в Ливерморской национальной лаборатории США; "Омега" - с энергией излучения до 60 кДж - в Рочестере (тоже США); "Гекко-12" в Осаке (Япония) и "Фебус" во французском городе Лимейл, обе с энергией излучения в импульсе до 20 кДж, и в российском Сарове "Искра-5" - до 30 кДж. В экспериментах на них исследователи ищут ответы на основные проблемные вопросы физики лазерного термоядерного синтеза. САРАТОВСКАЯ ЛАЗЕРНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА В апреле 2019 года в Сарове была установлена на свое место лазерная термоядерная установка, при помощи которой планируется проводить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу. Идея создания такой установки была предложена в 1950-х академиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом.[Приложение 3] Город Саров, ранее Арзамас-16, выбран для столь представительного международного форума неслучайно. Здесь не только создавалось атомное и термоядерное оружие, но и построены самые мощные в стране и в Европе лазерные установки. Потому изначально коллектив знаменитого во всем мире уникального института не только жил "порохом единым", но и занимался другими, не менее важными проблемами, например инерциальным ядерным синтезом. Алгоритм работы с лазерной установкой следующий: сферическую капсулу заполняют смесью дейтерия и трития, а затем на ее поверхность посылается мощный лазерный импульс. Под его действием часть капсулы испаряется, создается абляционное давление. Оно разгоняет сферический поршень (часть, которая не испарилась) до очень высоких скоростей. Все это приводит к симметрическому сжатию смеси до необходимых для проведения термоядерной реакции параметров. Первые эксперименты по работе с лазерной термоядерной установкой были проведены в 1972 году в ФИАН. Тогда же началась активная разработка лазерных установок. За почти полвека удалось создать несколько мощнейших лазерных установок, включая такие, как «Искра 4», «Искра 5», «Луч». С их помощью ученым удалось доказать, что лазерный импульс с энергией 500 кДж способен «зажечь» термоядерную мишень, представляющую собой пластиковую оболочку диаметром 1,5 мм с толщиной стенки около 30 мкм. На внутренней часть этой стенки наморожен слой DT-льда толщиной 25 мкм. Согласно текущим представлением для активации термоядерной мишени при помощи лазера необходимо излучение мегаджоульных энергий, а подводить ее к цели нужно в виде профилированного импульса с длительностью около 5 наносекунд. К слову, Ливерморской национальной лаборатории, расположенной в США удалось добиться увеличения мощности лазера вплоть до 1,8 МДж. Что касается текущей установки, то ее разработка началась с предложения РФЯЦ-ВНИИЭФ по созданию новой системы. Это предложение было сделано в 1996 году. Установка, о которой говорили авторы проекта, нужна для проведения экспериментов по зажиганию термоядерной мишени. Главный элемент установки — камера взаимодействия. Это сфера диаметром 10 м, масса которой достигает 120 т. Именно в ней и должно происходить взаимодействие лазерной энергии с мишенью. При таких параметрах камеры и большом количестве важных элементов внутри ее транспортировка — сложная задача. Поэтому камеру монтировали неподалеку от того места, где она должна использоваться. За 14 месяцев разработчикам удалось смонтировать сферу и разметить ее для инсталляции систем ввода излучения, технологических систем и диагностического измерительного оборудования. Толщина стенки камеры из алюминиевого сплава составляет около 100 мм. Всего на поверхности сферы располагается более 100 портов. По словам академика РАН Сергея Гаранина до настоящего момента еще никому не удалось зажечь термоядерную мишень в лаборатории. Главная проблема состоит в том, что небольшое количество вещества нужно сжать до очень высоких плотностей. При этом оболочная должна двигаться сферически симметрично, нельзя допустить отклонения от сферического сжатия. На той же установке NIF необходимой однородности облучения центральной капсулы достичь не удалось. Но на саровской установке, возможно, удастся достичь успеха. В настоящее время проводятся испытания первого модуля установки. В конце 2019 года будет проведен пробный запуск. Ну а ввод системы в эксплуатацию назначен на 2022 год. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Кузнецов, Николай Динамический синтез управляемых машин / Николай Кузнецов. - М.: Palmarium Academic Publishing, 2014. - 360 c. Крайнов В. П. Лазерный термоядерный синтез в кластерах. — 2001. -80 с. (ред.) Лебо, Иван Исследование гидродинамической неустойчивости в задачах лазерного термоядерного синтеза методами математического моделирования / Иван Лебо. - Москва: Наука, 2006. - 755 c. Пост, Р. Высокотемпературная плазма и управляемые термоядерные реакции: моногр. / Р. Пост. - М.: Издательство иностранной литературы, 1990. - 118 c. Филюков, А. А. Лазерный термоядерный синтез / А.А. Филюков. - Москва: Гостехиздат, 1975. - 171 c. Фланаган, Дж.Л. Анализ, синтез и восприятие речи: моногр. / Дж.Л. Фланаган. - М.: [не указано], 1985. - 670 c. ИНТЕРНЕТ РЕСУРС http://bse.sci-lib.com/article114313.html http://лазер.рф/2017/02/16/2497/ https://bigenc.ru/physics/text/2132112 Приложение 1  На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч Приложение 2  Схема мишени прямого облучения. Капсула с изотопами водорода окружена двухслойной оболочкой. Снаружи мишень, покрыта медью или полимерной пленкой толщиной 10-15 микрон, изнутри – более толстым слоем железа, золота, индия или др. материалов. Приложение 3  Саратовская лазерная термоядерная установка |