Лазерный термоядерный синтез (ЛТС) – способ запуска термоядерной реакции с помощью мощного лазерного излучения. При этом электромагнитная энергия лазерного излучения преобразуется в тепловую энергию и механическую энергию сжатия, возникающего под действием светового давления, а затем – в термоядерную энергию. Всё это сопровождается оптическим излучением.

Такой способ получения энергии является весьма привлекательным с практической точки зрения. Было подсчитано, что из дейтерия, содержащегося в одном литре природной воды в результате термоядерного синтеза можно извлечь столько же энергии, сколько образуется при сжигании 300 литров бензина.

Термоядерная реакция – процесс слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. При этом выделяется энергия связи. Легче всего происходит слияние изотопов водорода – дейтерия и трития. Есть ещё реакции слияния дейтерия, но сечение реакции и скорость протекания реакции для них гораздо ниже.

Для реализации реакции термоядерного синтеза необходимо нагреть смесь дейтерия и трития до температуры порядка ста миллионов градусов Цельсия. При этом скорость теплового движения ядер в образовавшейся плазме станет такой, что позволит преодолеть кулоновское отталкивание. При этом нужно удерживать такую плазму и столкнувшиеся ядра определённое, необходимое для реакции, время. Поэтому используется схема инерциального синтеза: мишень (смесь дейтерия и трития) облучается со всех сторон интенсивным лазерным излучением. В процессе облучения с поверхности мишени происходит интенсивное испарение и образуется мощная волна сжатия, идущая к центру. Это давление сжимает мишень, увеличивая плотность вещества на 3-4 порядка. Именно это давление обусловливает достижение температуры, при которой может идти термоядерная реакция.

Режим непрямого сжатия обусловлен возникновением гидродинамических неустойчивостей в процессе сжатия. Эти неустойчивости проявляются в отклонении движения оболочки на стадиях её ускорения и торможения в центре от сферической симметрии и зависят от начальных отклонений формы мишени от сферической и неоднородности распределения лазерных лучей по её поверхности. Развитие неустойчивости при движении оболочки к центру приводит сначала к отклонению движения от сферически симметричного, затем к турбулизации течения и перемешиванию слоёв мишени. В результате может возникнуть образование, форма которого существенно отличается от сферической, а средние температура и плотность значительно ниже ожидаемых величин. При этом начальная структура мишени может быть полностью нарушена.

Схема непрямого сжатия призвана решить проблему устойчивости мишеней (рисунок 1).

В этой схеме излучение заводится в специальную полость (хольраум), в которой фокусируется на внутренней поверхности внешней оболочки, состоящей из вещества с большим атомным номером. Большая часть энергии при этом трансформируется в мягкое рентгеновское излучение, которое нагревает и сжимает внутреннюю оболочку. К основным преимуществам такой схемы относятся большая однородность распределения излучения по поверхности мишени и упрощение схемы лазера и условий фокусировки. Недостатками являются потери, обусловленные преобразованием энергии в рентгеновское излучение и сложности ввода излучения в полость.

 

Программы работ по ЛТС активно развивались в США (установки Shiva, Nova, NIF в Ливерморской национальной лаборатории, OMEGA в Рочестерском университете), Японии (GEKKO XII ), России ("Дельфин" в ФИАНе, "Искра-4", "Искра-5" в Арзамасе-16) на уровне энергии лазеров 1-100 кДж.

Схема установки NIF представлена на рис.1.

В будущем планируется создание установок с энергией в импульсе в несколько МДж. В Ливерморской лаборатории начато создание установки на неодимовом стекле с энергией Е = 1,8 МДж. Стоимость проекта составляет 2 млрд долл. Создание установки аналогичного уровня запланировано и во Франции. На этой установке планируется достижение коэффициента усиления по энергии Q ~ 100. Нужно сказать, что запуск установок такого масштаба не только приблизит возможность создания термоядерного реактора на основе лазерного термоядерного синтеза, но и предоставит в распоряжение исследователей уникальный физический объект - микровзрыв с энерговыделением 10⁷-10⁹ Дж, мощный источник нейтронного, нейтринного, рентгеновского и γ-излучений. Это будет иметь не только большое общефизическое значение (возможность исследовать вещества в экстремальных состояниях, физики горения, уравнения состояния, лазерных эффектов и т.д.), но и позволит решить специальные задачи прикладного, в том числе военного, характера.

 

Хольраум (англ. hohlraum - образовано от немецкого и первоначально означало "пустую область", "hollow area") - в термодинамике излучения, это полость, стенки которой находятся в радиацинном равновесии с лучистой энергией внутри полости. На практике идеальную полость можно получить сделав небольшое отверстие в полом сосуде из любого непрозрачного материала. Излучение проходящее сквозь такое отверстие изнутри сосуда будет с хорошей точностью излучением черного тела с температурой, поддерживаемой внутри сосуда.

На рис.1 приведен позолоченный хольраум, созданный для использования в установке National Ignition Facility, USA.