В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Структура «инерциальной» электростанцииростанции

Производство недорогих термоядерных мишеней

Драйвер для сжатия

и нагрева мишени

Реакторная камера: поглощение продуктов реакции, отвод тепла

много фокусирующая лучей оптика

Генерация электроэнергии

Реализация инерциального УТС требует демонстрации четырёх технологий:

•Мишени с высоким усилением (выход реакции в ~100 раз превышает вложенную энергию)

•Эффективный (~10–30%) драйвер с высокой частотой повторения (~5–10 Гц)

•Недорогие мишени (около 25¢ штука) в массовом производстве (~100 миллионов в год)

•Долгоживущая (до 30 лет), малоактивируемая мишенная камера

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Драйверыдля инерциальногого УТСУТС

с учётом реальной эффективности передачи энергии от драйвера в плазму

требуется вкладываемая энергия масштаба 1 МДж при длительности нагрева мишени порядка 1÷10 нс

Рассматривались следующие схемы драйверов:

•Обычная взрывчатка

•Сильноточные релятивистские электронные пучки, прямое ускорение

•Протонные пучки, прямое ускорение

•Лёгкие ионы (от лития до углерода), прямое ускорение

•Лазеры, непосредственное облучение мишени

•Рентгеновское излучение

•Тяжёлые ионы, накопительные кольца

•Атомная бомба – работает с 1952 года в США и с 1953 года в СССР

Существуют несколько путей достижения результата

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Оптимальные режимысжатия мишенеймишеней

Н.Г.Басов, И.Г.Лебо, В.Б.Розанов. Физика лазерного термоядерного синтеза, М.1988

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Стадияускоренияисжатия мишениишени

температура

плотность

r

лазерное излучение начинает поглощаться

вкороне, задолго до поверхности мишени

нужны коротковолновые лазеры

Н.Г.Басов, И.Г.Лебо, В.Б.Розанов. Физика лазерного термоядерного синтеза, М.1988

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Стадиятермоядерного горенияения

после сжатия мишени

r

Коэффициент усиления мишени K =Wfusion /Win

нужно K = 100-500

Н.Г.Басов, И.Г.Лебо, В.Б.Розанов. Физика лазерного термоядерного синтеза, М.1988

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

НеустойчивостьРэлея-Тейлоралора

Развитие возмущений и генерация магнитных полей в процессе сжатия мишени

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Примервлияния неустойчивостейостей

компьютерное моделирование мишеней NIF

расчёт для реальной		расчёт для идеально
однородности		однородного
облучения		сжатия

требуется улучшение однородности облучения и симметрии мишени: увеличение количества лучей, уширение спектра лазера, дефокусировка

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Мишенидляинерциального синтезаинтеза

один из вариантов мишеней NIF

General Atomics

Schaffer

LANL

CH+ Au/Pd layer

Foam

						r
					e
				y
		d		la				5
	P								μ
/											m
Au						CH
		CH Foam/DT
	Foam/DT(ablator)(ablator)256μ256
									m
			DT Ice (fuel)					?m
							334				ius
							?μm
											d
											a
				DT Vapor					mm	r
								5
								7
							3
							.
							2

Sector of

Spherical

Target

foam shells

~4 mm

Au/Pd coated shells

реально получена шероховатость лучше 0.3 мкм для пространственных мод 4-100

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Схемысжатиямишеней

прямое обжатие

непрямое обжатие (хольраум)

Идея метода непрямого обжатия в том, что мишень сжимается потоком излучения со спектром абсолютно чёрного тела, имеющего температуру ~300 эВ. При этом не происходит генерация быстрых частиц в плазменной короне и некоторые другие неприятности. Однако требуется больше энергии драйвера.

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Испытание Bluestone (США, 30..77..1962)1962)

© Copyright 1998-2002 AJ Software & Multimedia

ВоенныйУТС В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

по данным американских интернет-источников

Carey Sublette Introduction to Nuclear Weapon Physics and Design Section 2.0 Nuclear Weapons Frequently Asked Questions

http://gawain.membrane.com/hew/

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Лазеры: выбордлины волныны

Эффективность поглощения

Схема получения третьей гармоники

R. L. McCrory @ NIF Technical Symposium, Livermore, 28.05.2009

Нужна как можно более короткая длина волны → гармоники!

•лучше поглощение (и в более плотной плазме)

•меньше проблем с плазменными неустойчивостями и быстрыми частицами

Неодимовое стекло → газовые лазеры, полупроводниковая накачка

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Установка «Искра-5» (Саров, ВНИИЭФНИИЭФ))

Установка Искра-5 (с 1989 г.)

-12 каналов

-длина волны 1.3 мкм

-рабочее вещество: иод

-фотодиссоциация молекул C3F7I

-диаметр пучка 70 см

-длительность импульса 250 пс

-энергия до 30 (15) кДж

-мощность до 100 ТВт

-фокус 100 мкм (дифр. предел 60 мкм)

-батарея 67 МДж

-Тi = 7 кэВ

Кроме России, установки высокого класса есть (и строятся новые) в Японии, США, Франции, Китае

Россия: проект УФЛ-2М, строится

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

Проект NIF (Ливермор, СШАА))

копировано из GoogleEarth

Неодимовый лазер

•192 лазерных луча - мощность 500 ТВт

- энергия 2.03 МДж (08.2012) - на мишени 1.875 МДж - длительность 3-4 нс.

•лучи 40х40 см

-3ω (0.35 мкм)

-повторяемость канала <1%

Статус: 29 мая 2009 г. введён в эксплуатацию,

Эксперименты с мишенью: 6 октября 2010 г. – 1 МДж, криогенная мишень

11 октября 2013 – получено

14 кДж т/ядерной энергии

стоимость ~4 G$

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

NIF – оптическаясхемаодного каналаканала

48 × ~ 6 Дж

1 × ~ нДж

3ω

1ω

D. Clery “Fusion’s great bright hope” // Science, vol. 234, p. 326, 2009

оригинальный рисунок приведён с оригинальными неточностями в схеме

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 10

NIF – мишеннаякамера

D. Clery “Fusion’s great bright hope” // Science, vol. 234, p. 326, 2009