ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 7-8, с. 580-590
ЯДРА
ВОЗМОЖНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ ЦЕПНОЙ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА НА ОСНОВЕ РЕАКЦИИ р + ^
(©2015 г. В. С. Беляев1), В. П. Крайнов2)*, Б. В. Загреев1), А. П. Матафонов1)
Поступила в редакцию 22.12.2014 г.
Рассматриваются теоретические и экспериментальные схемы для реализации термоядерного реактора на основе реакции р + 11 В, такие, как столкновение пучков, синтез в вырожденной плазме, поджигпри ускорении плазмы нелинейными пондеромоторными силами, бомбардировка твердотельной мишени 11В протонным пучком при кулоновском взрыве водородных микрокапель. Обсуждается возможность использования сверхкоротких высокоинтенсивных лазерных импульсов для инициирования реакции р + 11В в условиях, далеких от термодинамического равновесия. Перспективность этой и других слаборадиоактивных термоядерных реакций синтеза обусловлена их экологически чистым характером — практическим отсутствием нейтронов среди продуктов синтеза. Реакция р + 11В обладает тем преимуществом, что дальнейшие ядерные реакции могут генерировать высокоэнергетические протоны, поддерживая цепную реакцию. Применяемый подход также дает возможность изучения ядерных реакций в условиях, приближенных к условиям в ранней Вселенной либо в недрах звезд.
DOI: 10.7868/80044002715060033
1. ВВЕДЕНИЕ
С появлением лазеров, способных генерировать лазерные импульсы высокой интенсивности, стали возможны эксперименты с веществом в экстремальных состояниях, далеких от теплового равновесия. Это, в свою очередь, позволяет использовать различные подходы к получению энергии за счет термоядерного синтеза. Возможность получать неравновесные состояния расширяет набор изотопов для термоядерного синтеза, и, таким образом, можно использовать более чистые и безопасные реакции, которые не сопровождаются образованием высокоэнергетических нейтронов. В ЦНИИмаш был предложен и опробован метод осуществления термоядерной реакции синтеза с участием протонов и ядер бора 11B за счет столкновений ускоренного лазером протонного пучка с лазерной плазмой, содержащей ионы бора [1]. В работе [2] сообщается о достижении скоростей реакции p +11B, на несколько порядков превышающих достигнутые ранее [ 1]. Использованный подход полезен также для исследования ядерных реакций, которые могут иметь место в астрофизической плазме.
Исследования в области инерциального термоядерного синтеза в течение последних 40 лет
''Центральный научно-исследовательский институт машиностроения, Королев, Россия.
2'Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный, Россия. E-mail: vpkrainov@mail.ru
фокусировались на индуцируемых лазерным излучением реакциях дейтерия и трития в состояниях, близких к тепловому равновесию [3, 4]. Дейтерий-тритиевые реакции были выбраны ввиду их более высоких скоростей по сравнению с реакциями с другими легкими изотопами, так что синтез возможен при сравнительно низких температурах (20 кэВ [5]). Однако данные реакции генерируют интенсивный поток нейтронов высоких энергий, что представляет серьезную радиационную угрозу и оставляет радиоактивные отходы. Достижения последних десятилетий: в лазерной технике [6], физике лазерной плазмы [7], лазерном ускорении пучков частиц [8—10], позволяют использовать топливо, дающее практически безнейтронные реакции, которые генерируют существенно меньше радиоактивного излучения [11-13].
В реакциях на основе протонов и ядер бора 11В энергия синтеза высвобождается преимущественно в виде заряженных альфа-частиц [14], а не нейтронов. Кроме того, бор более распространен в природе и более удобен для работы с практической точки зрения. При высоких температурах в состоянии теплового равновесия скорость реакции р + 11В сравнима со скоростью дейтерий-тритиевой реакции [15]. Однако использование р + + 11В вместе со сферическим лазерным сжатием в режиме теплого равновесия требует высоких энергий лазера для достижения требуемой температуры
и плотности. Более того, энергетические потери за счет обратного вынужденного тормозного излучения при таких условиях мешают установлению самоподдерживающегося режима [16, 17].
Перечисленные трудности могут быть преодолены при использовании сверхкоротких высокоинтенсивных лазерных импульсов за счет инициирования реакции р + 11B в условиях, далеких от равновесных, на более коротких интервалах времен по сравнению с обычными схемами инерциального синтеза. Инициирование ядерных реакций лазерным излучением представляет собой новую область в физике [18], которая помимо приложений в энергетике интересна с точки зрения понимания процессов в звездной плазме [19, 20] и нуклеосинтеза в процессе Большого взрыва [21].
Первая демонстрация индуцированной лазерным излучением реакции р + 11B [1] была осуществлена с использованием пикосекундного лазерного импульса интенсивностью 2 х 1018 Вт/см2, который фокусировался на композитную мишень 11B + ^^^ и приводил к выходу а-частиц порядка 103. В работе [22] отмечалось, что выход реакции в данном эксперименте может достигать величины 104. Наблюдаемый выход был интерпретирован как результат присутствия высокоэнерге-тичных ионов, ускоряемых интенсивным лазерным импульсом [1, 2].
За последние годы рассматривались разные теоретические и экспериментальные схемы для реализации термоядерного реактора на основе реакции р + 11 B, такие, как: столкновение пучков [23], синтез в вырожденной плазме [24], поджиг при ускорении плазмы нелинейными пондеромоторными силами [25],
бомбардирование твердотельной мишени 11B протонным пучком при кулоновском взрыве водородных микрокапель [26].
Во всех перечисленных схемах целью было увеличение отношения энергетического выхода к потерям различными способами, однако полученные результаты можно считать достаточно скромными.
Авторы работы [2] предлагают подход, позволяющий существенно увеличить скорость индуцируемой лазерным излучением реакции р + 11 B. Это достигается использованием двух лазерных пучков. Первый из них — излучение высокоэнергетического (400 Дж) лазера с относительно большой длительностью импульса (1.5—4 нс). Он фокусируется на твердотельную мишень и формирует почти полностью ионизованную плазму 11B (Те ^ ^ 0.5 кэВ). Эта плазма, расширяясь в вакууме, приводит к распределению электронной плотности от нулевого до твердотельного значений.
Второй пучок обладает высокой интенсивностью (20 Дж, 6 х 1018 Вт/см2) и короткой длительностью импульса (1 пс), что позволяет получать высокоэнергетический протонный пучок при облучении тонких алюминиевых пленок Al, пластика или пластика с тонким покрытием золота (Target Normal Sheath Acceleration [27]). Пикосекундная длительность импульса, генерирующего протонный пучок, ограничивает дальнейшие потери на излучение. Протонный пучок, будучи направленным на плазму, приводит к столкновениям c ионами бора [28] при энергиях, близких к резонансным энергиям Ep, равным 162 и 675 кэВ (данные по резонансам для реакции p + 11B см., например, в таблице 12.11 в [29]). Временной интервал между двумя пучками менялся в диапазоне от 0.25 до 1.2 нс, что позволяло осуществлять бомбардировку протонным пучком плазмы бора с различной степенью нагрева и ионизации.
Эксперименты [2] проводились на лазерной установке Pico2000 в лаборатории LULI в Ecole Polytechnique (Франция). Установка позволяет синхронизовать два лазерных пучка для использования в одной вакуумной камере. Авторы отмечают, что их целью было в первую очередь не создание готовой к практическому использованию установки, а демонстрация научного прогресса в осуществлении безнейтронного синтеза с использованием коротких лазерных импульсов и создание возможностей для дальнейших научных исследований по этой теме.
Главной частью эксперимента [2] было определение числа реакций между протонным пучком, ускоренным пикосекундным лазерным импульсом, и бором в качестве мишени при различных состояниях этой мишени. Характерная скорость расширения мишени составляла около 200 мкм за 1 нс. Электронная температура в плазме составляла Te œ 0.7 ± 0.15 кэВ. На рис. 1 показано общее количество треков альфа-частиц, детектированных спектрометром, в зависимости от энергии для различных условий эксперимента [2].
В заштрихованной области альфа-частицы не детектировались из-за наличия алюминиевого фильтра позади спектрометра. Ромбы соответствуют эксперименту с одним только пикосекундным импульсом, когда протонный пучок взаимодействует с твердотельной мишенью бора. В этом случае число треков близко к уровню шумов, что говорит об очень низкой активности.
Эксперименты с двумя лазерными импульсами, когда протонный пучок взаимодействует с мишенью в плазменном состоянии, показывали значительное увеличение числа треков (~100 раз). Временная задержка между двумя лазерными импульсами составляла 0.25 нс (светлые кружки), 1 нс (темные треугольники) и 1.2 нс (квадраты).
Число треков
140 120 100 80 60 40 20
♦ Только пикосекундный д Только пикосекундный
(без Б-мишени) ^ Пико- и наносекундный (Ш = 1.0 нс)
■ Пико- и наносекундный (Ш = 1.2 нс)
О Пико- и наносекундный (Ш = 0.25 нс)
ф Пико- и наносекундный, пена (Ш = 1.2 нс)
6.5
Еа, МэВ
Рис. 1. Число треков альфа-частиц [2].
Как видно, выход альфа-частиц увеличивается с ростом времени задержки между двумя лазерными импульсами от 0.25 до 1.2 нс, т.е. с ростом температуры и степени ионизации плазмы мишени.
Авторы работы [2] оценивают общее количество актов реакций в этом эксперименте до 9 х 106 ср-1, что значительно больше, чем в предыдущих наблюдениях [ 1]. Форма спектра альфа-частиц, представленная на рис. 1, согласуется со спектром процесса р + 11 В. Пик при Е < 5 МэВ является известной особенностью спектра, происходящей из-за образования широкого резонанса 8Ве* на первом шаге с последующим распадом 8Ве* ^ а + + а [30, 31]. Видимый на рис. 1 спад в спектре около 3.5 МэВ может быть как результатом, обусловленным границей чувствительности спектрометра в эксперименте, так и наблюдавшейся в других экспериментах особенностью реакции р + 11 В, имеющей теоретическое обоснование. Небольшой пик около
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.