Мощные лазеры и лазерный термоядерный синтез

 

Зачем нужен лазерный термоядерный синтез?

На протяжении всего развития цивилизации перед человечеством регулярно возникали энергетические проблемы, обусловленные ростом удельного энергопотребления. До последнего времени эти проблемы решались освоением новых видов энергетических ресурсов. Качественно новый этап в развитии энергетики в XXI веке состоит в наступающем истощении традиционных ископаемых топливных ресурсов и ужесточении экологических требований к функционированию энергетических систем. Это связано с тем, что уровень выбросов и отходов при производстве электроэнергии возрос до масштабов, влияющих на экосистему в целом.

Проблемы энергообеспечения уже в среднесрочной перспективе будут приобретать все большую значимость не только в связи с ограничением топливных ресурсов, но и в силу меняющихся представлений о желательном качестве жизни, то есть экология производства энергии становится одним из наиболее существенных факторов.

Для устойчивого развития общества в перспективе необходимо развивать энергетику, использующую практически неограниченный ресурс, безопасную в эксплуатации и достаточно чистую в экологическом плане. Из рассматриваемых возможностей этим требованиям в значительной степени отвечает термоядерная энергетика. Аргументы в пользу управляемого термоядерного синтеза (УТС) хорошо известны: от наивысшей, среди известных человечеству, калорийности эквимолярной DT- смеси (~ 3,4∙1014 Дж/кг) и практически неисчерпаемых запасов дейтерия в природе (запасы дейтерия на 8 порядков выше, чем урана), до значительно меньших (более чем в 100 раз) уровней радиоактивных отходов по сравнению с энергетическими циклами на основе реакций деления актиноидов.

На возможность использования реакций синтеза легких ядер для целей экологически чистой, безопасной и экономически выгодной энергетики было обращено внимание более 50 лет назад. Все изобретенные за это время устройства можно разделить на два класса: 1) системы, основанные на магнитном удержании горячей плазмы (токамаки, стеллараторы); 2) импульсные системы (системы инерциального термоядерного синтеза (ИТС)). Оба типа систем, уже, вплотную подошли к созданию экспериментальных машин с положительным выходом энергии, в которых будут проверены основные элементы будущих термоядерных реакторов.

Причем здесь мощные лазеры?

В настоящее время для инерциального термоядерного синтеза разрабатываются несколько типов драйверов: лазеры, пучки тяжелых ионов, быстрые Z-пинчи. Преимущество лазерного излучения для решения проблемы инерционном термоядерном синтезе заключается в относительной легкости его транспортировки к мишени и его фокусировки, возможности получать огромные плотности мощности, требуемые для эффективного сжатия и разогрева мишени.

В настоящее время наблюдается последовательное развитие как расчетно-теоретических, так и экспериментальных работ в области лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) в США, Европе, России, Китае, Японии. В России накоплен бесценный опыт и научный потенциал в области ЛТС. Основой для его высокой востребованности международным научным сообществом являются достижения и оригинальные работы российских ученых, которые ведутся в крупных научных центрах, располагающих значительной экспериментальной базой. К таким центрам относятся: ФИАН, ИОФ РАН, НИЯУ МИФИ (г. Москва), РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров), РФЯЦ ВНИТФ (г. Снежинск), ГНЦ ТРИНИТИ (г. Троицк) и др.

Созданные для целей управляемого термоядерного синтеза мощные импульсные лазеры дают уникальную возможность генерировать импульсы света с энергией мегаджоульного диапазона и мощностью в сотни тераватт. При действии этих импульсов на конденсированные среды достигаются рекордные локальные плотности энергии, которые в настоящее время не удается получить в условиях лабораторных экспериментов никакими другими методами.

В США с 2009 года действует лазерная установка NIF (National Ignition Facility) с энергией лазера 1,8 МДж, сосредоточенной в 192 пучках лазерного излучения; во Франции (Бордо) вводится в строй мощная установка LMJ (Laser Megajoule) с энергией лазера 1,8 МДж. В 2012 году Россия приступила к созданию собственной лазерной установки мегаджоульного уровня энергии.

Физика взаимодействия лазерного излучения с веществом переживает этап интенсивного развития. Это связано с быстрым развитием технологий генерации лазерных импульсов сверхвысокой интенсивности в различных диапазонах длин волн.

В ведущих мировых лазерных центрах функционируют петтаваттные лазерные системы, генерирующие импульсы излучения длительностью 10-100фс и пиковой интенсивностью в фокусе 1019-1022Вт/см2. Активно обсуждаются международные проекты по созданию лазерных установок мультипеттаваттного и экзаваттного класса (например, Extreme Light Infrastracture (ELI) в Европе, аналогичные проекты имеются у Великобритании, Японии и Китая).

О кафедре и особенностях обучения.

Кафедра № 69 «Физика лазерного термоядерного синтеза» создана в 2011 году для подготовки специалистов в области физики лазерного термоядерного синтеза, взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, разработки мощных лазеров нано-, пико- и фемтосекундной длительности импульсов.

Заведующий кафедрой академик РАН, генеральный конструктор лазерных систем, директор Института лазерно-физических исследований РФЯЦ-ВНИИЭФ, д.ф.-м.н., профессор Гаранин Сергей Григорьевич.

Учебные курсы кафедры читают высококвалифицированные преподаватели Профессиональные дисциплины читаются специалистами с высоким индексом цитирования, известными экспертами в своей области. В рамках ряда курсов по выбору предусмотрено чтение отдельных разделов ведущими сотрудниками отраслевых предприятий в режиме он-лайн. В рамках программы магистратуры студентам читаются такие курсы, как «Нелинейная оптика», «Физика лазерного термоядерного синтеза», «Взаимодействие лазерного излучения с веществом», «Методы конструирования лазерных систем» и др. В связи с этим тематика практик наших студентов весьма разнообразна, чтобы каждый студент мог реализовать свой научный потенциал в той области, которая ему интересна.

Практика студентов проходит на современных учебно-лабораторных базах в НИЯУ МИФИ, Институте общей физики РАН (ИОФ РАН), Институте лазерно-физических исследований (ИЛФИ) РФЯЦ-ВНИИЭФ. Кроме этого, студенты трудоустраиваются в различные другие научные организации Росатома и Российской академии наук (Всероссийский НИИ автоматики им. Духова, ФИАН и др.). Профессиональная деятельность выпускников связана с экспериментальной работой и компьютерным моделированием в перспективных областях современной физики мощных лазеров, физики лазерной плазмы и лазерного термоядерного синтеза. Студенты и аспиранты кафедры принимают активной участие в работе научных школ и конференций.

   

 

 

English