Термоядерная реакция

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 82↑

12.03.2002 Хронометраж

1:15:00

Дано ли сбыться мечте нескольких поколений ученых об управляемом термоядерном синтезе? Возможны ли здесь принципиально новые решения?

Кто и когда эти решения предлагал и предлагает? Об этом в передаче рассуждают академики РАН Роберт Нигматулин и Олег Крохин.

Позиции

Нигматулин

— Разрабатывается метод, способный конкурировать с Токамаками, с их необходимостью в высоких температурах, плазмой, энергией на ее удержание магнитным полем.

— Метод заключается в лазерном обжатии плазмы, лазерном облучении микропузырьков (0,7 микрон) с парами дейтерия.

— Наложение ударных волн и их концентрация в центре приводит к образованию очень мощных энергий, плотности и т. д.

Крохин

— Можно ли в данном случае говорить о термояде?

— Открытие отдельных экзотических реакций не имеет отношения к реакции управляемого термоядерного синтеза.

— Похоже что здесь процесс не стал не-линейным (то есть таким, когда на выходе больше энергии, чем на входе)

Материалы к программе:

Резюме статьи — R. P. Takeyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R.T. Lahey Jr., R. I. Nigmatulin, R. C. Block. Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation//Science. 2002, Vol. 295.

В экспериментах с наполненными парами дейтерия микропузырьками, было обнаружено угасание активности трития по сравнению с обычным уровнем. Кроме того, наблюдались свидетельства эмиссии нейтронов около 2,5 миллионов электрон-вольт, что можно рассматривать как (свидетельство) синтеза (по типу) дейтерий — дейтерий. Контрольный эксперимент с обычным ацетоном не приводил к активности трития или эмиссии электронов. Гидродинамическое shock code моделирование подтверждает наблюдаемые результаты и свидетельствует о состоянии в высокой степени сжатия, горячей (от 10⁶ до 10⁷ кельвинов) пузырьковой имплозии (направленного внутрь взрыва), требуемой для реакции ядерного синтеза.

В экспериментах с наполненными парами дейтерия микропузырьками, было обнаружено угасание активности трития по сравнению с обычным уровнем. Кроме того, наблюдались свидетельства эмиссии нейтронов около 2,5 миллионов электрон-вольт, что можно рассматривать как (свидетельство) синтеза (по типу) дейтерий — дейтерий. Контрольный эксперимент с обычным ацетоном не приводил к активности трития или эмиссии электронов. Гидродинамическое shock code моделирование подтверждает наблюдаемые результаты и свидетельствует о состоянии в высокой степени сжатия, горячей (от 10⁶ до 10⁷ кельвинов) пузырьковой имплозии (направленного внутрь взрыва), требуемой для реакции ядерного синтеза.

(Остальное содержание статьи — это раскрытие вышеуказанных выводов с помощью формул, графиков и технических подробностей.)

Iskander Akhatov (Director — Institute of Mechanics, Russian Academy of Sciences (Ufa) Visiting Research Scholar — Department of MANE, RPI). Sonoluminescence and Bubble Fusion. (Перевод резюме статьи.)

Явление называемое sonoluminescence известно уже почти 70 лет. Уже несколько десятилетий с его открытия исследователи иногда экспериментировали с этим явлением, но только недавние эксперименты позволили провести детальные исследования динамики акустически поднимаемых sonoluminescent пузырьков. В частности получены важные результаты относительно стабильности размера пузырька, его формы и позиции (то есть пузырьки могут оставаться устойчивыми при колебании в течение часов) и т. д. Все эти эффекты могут быть поняты в структуре теоретической модели динамики пузырька, которая объясняет жидкую и газовую сжимаемость, поверхностную напряженность, газовое распространение, и кинетику процесса напыления / уплотнения. Эта модель была развита и использовалась, чтобы вычислить динамику вызываемых лазером кавитационных пузырьков. Разработанная математическая модель хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Если взрыв пузырька достаточно мощен, чтобы вызвать ударную волну и если нагревание достаточно сильно — результатом будет очень высокая температура в центре пузырька. Действительно, так можно достичь температуры газа / плазмы, сопоставимых с температурой на поверхности солнца (5000–7000 K). Более того, возможно достичь намного более высоких температур. Недавно было сделано крупное достижение исследователями в лаборатории RPI/ORNL (в сотрудничестве с российскими учеными) в котором кавитационные пузыри были сжаты настолько сильно, что произошел термоядерный синтез.

Чтобы объяснить наблюдаемые экспериментальные данные, был разработан код HYDRO, включающий Mie-Gruniesen уравнение состояния, диссоциации и процессов ионизации и кинетики ядерного сплава. Этот код объясняет наблюдаемые экспериментальные данные.

Это захватывающее открытие, так как похоже, что был разработан новый нейтронный источник, и (термоядерный) синтез (на основе пузырьковой технологии) может иметь много важных новых применений.

Richard T. Lahey, Jr. (Rensselaer Polytechnic Institute Troy, NY — USA), Robert I. Nigmatulin (Russian Academy of Sciences Ufa, Baskortostan — Russia), Rusi P. Takeyarkhan (Oak Ridge National Laboratory Oak Ridge, TN — USA). SONOLUMINESCENCE AND THE SEARCH FOR BUBBLE FUSION. (Перевод резюме статьи.)

Sonoluminescence (SL) предполагает генерирование чрезвычайно высоких температур (~10⁵–10⁶ K) и очень короткие легкие вспышки (~10⁻¹⁰ с) в течение импульсивного коллапса акустически возбужденных пузырей газа/пара. Это интересное явление было известно уже почти 70 лет и широко используется химиками, чтобы изучить высокие температурные химические реакции (то есть, sonochemisty). Однако, «святой грааль» должен достичь плазменных температур и удельного веса достаточно высоко, чтобы получился термоядерный сплав.

Недавно оригинальный эксперимент сплава пузыря был выполнен в Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Используя нейтроны высокой энергии от пульсирующего нейтронного генератора (PNG), были образованы кавитационные пузыри в гидрокарборированной дейтериевой жидкости, которая была под высоким напряжением. Эти пузыри росли, и впоследствии имплозивно разрушались (взрывались) в антиузле давления акустической постоянной волны. Наблюдалось, что одновременно с sonoluminescence испускались нейтроны дейтерий-дейтерий синтеза. Кроме того, было обнаружено образование трития, подтверждая, что имели место D-D термоядерные реакции синтеза.

(Далее говорится, что были разработаны математические модели, хорошо объясняющие происходившее в опыте.)

Это очень впечатляющие результаты, так как они подразумевают, что возможно достижение цепной ядерной реакции и создание нового типа ядерного реактора; такого, который устранил бы многие из проблем в предшествующих реакторных проектах. В любом случае, был развит новый метод достижения ультравысоких температур для применений в реакциях типа sonochemistry.

Из статьи — Розанов В. Б. Лазерный термоядерный синтез: исследования в ФИАНе схем и концепций лазерных мишений//Квантовая электроника. 1997, № 12.

В 1964 г. в ЖЭТФ Н. Г. Басов и О. Н. Крохин опубликовали первую работу, открывшую обширный список публикаций по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС). Сама идея ЛТС была высказана тремя годами раньше в докладе Басова на заседании Президиума АН СССР (1961 г.)... Первоначальная формулировка подхода основывалась на утверждении, что с помощью концентрированного лазерного излучения можно нагреть вещество до термоядерных температур, масштаб которых составлял 1 кэВ.

В тоже время была сформулирована проблема лазерных термоядерных мишеней, связанная с необходимым условием ЛТС: получением термоядерной энергии в количестве, превышающем первоначальные затраты.

Басовым и Крохиным отмечен импульсный характер будущих лазерных термоядерных систем, которые должны осуществляться через последовательность микровзрывов.

80-е гг. и особенно их вторая половина, для обсуждаемой нами проблемы оказались сложным периодом по ряду причин. Появились лазеры нового поколения с преобразованием гармоник, высокой однородностью облучения и большой (1–30 кДж) энергией («Нова» — Ливермор, США, «Омега» — Ротчестер, США, «Гекко-17» — Осака, Япония), которые инициировали новый цикл исследований и по физике процессов, и по диагностике. Выяснилось, что создание подобных лазеров в условиях ФИАНа нереально. Была обнародована концепция рентгеновского сжатия (непрямое сжатие), при этом основные экспериментальные результаты, полученные американскими учеными, долгое время оставались засекреченными.

В одной из работ исследовалась возможность зажигания и горения чисто дейтериевых мишеней при лазерном сжатии. Помимо прикладного значения, связанного с отказом от трития, возникают интересные физические проблемы. В дейтериевом топливе доли первичных и вторичных реакций, определяемый ими термоядерный выход, а также вклад в плазму энергии быстрых термоядерных частиц существенно зависит от температуры и сжатия. Вторая особенность дейтериевого топлива состоит в том, что эффективная термоядерная реакция развивается при более высоких температурах зажигания и горения. В результате электронная теплопроводность выравнивает условия в сжатой плазме, горение происходит в однородно сжатом дейтерии и, в отличие от тритиевых мишеней, не наблюдается волн термоядерного горения.

В США применительно к программе NIF, ориентированной на одиночные микровзрывы с высоким термоядерным выходом, выбран путь создания сверх однородного облучения за счет использования большего числа лазерных пучков (192 пучка). Это, по-видимому, правильный путь для одиночных микровзрывов, но он может оказаться бесполезным в условиях лазерного термоядерного реактора.

Проблема ЛТС, поставленная первыми работами Басова и его сотрудников и учеников, в ближайшие 5 лет ожидает критической экспериментальной проверки на сооружаемых мегаджоульных лазерах в США и Франции. Вполне вероятно, что экспериментально будет доказана возможность использования лазеров для решения энергетической проблемы. Физика лазерных термоядерных мишений является одной из ключевых проблем в этом подходе, и концепция мишений в виде тонких оболочек, предложенная в ФИАНе боле 25 лет назад, сохранила не только свою актуальность, но и практически единственность до ожидаемых ключевых экспериментов.

В течении длительного времени фиановские работы занимают видное место в отечественной и мировой науке и вместе с работами ведущих лабораторий мира участвуют в формировании направлений, приоритетов и подходов в физике мишеней инерциального термоядерного синтеза.

Библиография

Басов Н., Афанасьев Ю. Световое чудо века. М., 1984.

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

Розанов В. Б. Лазерный термоядерный синтез: исследования в ФИАНе схем и концепций лазерных мишений//Квантовая электроника. 1997. № 12.

Barber B. P., Putterman S.J. Light scaterring measurements of the repetitive supersonic implosion of a sonoluminescence bubble//Phys. Rev. Lett. 1992. V.69. № 26.

Hiller R., Weninger K., Putterman S. J., Barber B. P. Effects of noble gas dopping in single-bubble sonoluminescence//Science. 1994. V. 266.

Lindl J. Inertial Confinement Fusion. New York, 1998.

Nigmatulin R. I., Nagiev, F.B., Khabeev, N. S. Dynamics heat and mass transfer of vapour-gas bubbles in a liquid//Heat and Mass Transfer. 1981. V. 24. № 6.

Nigmatulin R. I. Mathematical modelling of bubbly liquid motion and hydrodynamical effects in wave propagation phenomenon, Applied Scientific Research//Int. J. on Thermal, Mechanical and Electromagnetic Phenomena in Continua. 1982. V. 38.

Nigmatulin R. I. Dynamics of multiphase system. Washington, 1990. V. 1.

Nigmatulin R. I. On equations of bubbly liquids//Bubble Dynamics and Interface Phenimena. Proceedings of an IUTAM Symposium, 1994.

Nigmatulin R. I., Lahey R. T. Prospects of bubble fusion//Proceedings of the 7th International Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-7). 1995. V. 1.

Takeyarkhan R. P., West C. D., Cho J. S., Lahey R. T. Jr., Nigmatulin R. I., Block R. C. Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation//Science. 2002. V. 295.

Тема № 82

Эфир 12.03.2002

Хронометраж 1:15:00

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz