Мощные лазеры и лазерный термоядерный синтез

На протяжении всего развития цивилизации перед человечеством регулярно возникали энергетические проблемы, обусловленные ростом удельного энергопотребления. Качественно новый этап в развитии энергетики в XXI веке определяется наступающим истощением традиционных ископаемых топливных ресурсов. 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 качестве жизни.

Для устойчивого развития общества в перспективе необходимо развивать энергетику, использующую практически неограниченный ресурс, безопасную в эксплуатации и 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 и практически неисчерпаемых запасов дейтерия в природе, 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. В настоящее время в инерционном термоядерном синтезе разрабатываются несколько типов драйверов: лазеры, пучки тяжелых ионов, быстрые Z-пинчи. Преимущество лазерного излучения заключается в относительной легкости его транспортировки к мишени и его фокусировки, возможности получать огромные плотности мощности, требуемые для эффективного сжатия и разогрева мишени. Основные технологические трудности создания импульсных реакторов лежат в области лазерной техники.

В настоящее время, в мире постоянно расширяется фронт работ по созданию импульсных лазерных установок, при фокусировке излучения которых реализуются термодинамические состояния доступные в природе только в центрах массивных звезд. Это связано с бурным ростом технологий, обеспечивающих возможность достижения все более высоких энергетических характеристик лазерных систем.

В лазерном термоядерном синтезе (ЛТС) соединились два наиболее замечательных открытия столетия - термоядерные реакции и квантовая генерация света, для того чтобы подарить человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Проблема управляемого термоядерного синтеза еще далека от своего решения, но во всем мире ведутся интенсивные работы и с каждым годом расстояние до цели сокращается.

Модуль 1. Термоядерная проблема
1.1. Энергетические ресурсы человечества: состояние и перспективы
1.2. Солнце-термоядерный реактор
1.3. Основы физики ядерных реакций
1.4. Ядерная энергетика. Концепция термоядерной электростанции
1.5. Термоядерная проблема

Модуль 2. Основы физики плазмы
2.1. Борьба с кулоновским отталкиванием
2.2. Элементарные процессы в плазме. Равновесие
2.3. Процессы переноса в плазме
2.4. Излучение плазмы
2.5. Распространение электромагнитного излучения в плазме

Модуль 3. На пути к управляемому термоядерному синтезу
3.1. Условия реализации термоядерного реактора. Критерий Лоусона
3.2. Принципы удержания плазмы
3.3. Магнитное удержание плазмы
3.4. Инерционное удержание плазмы

Модуль 4. Физические основы генерации и усиления лазерного излучения
4.1. Взаимодействие излучения с веществом. Тепловое излучение
4.2. Взаимодействие излучения с инверсной средой. Оптические квантовые усилители. Лазеры
4.3. Открытые оптические резонаторы. Свойства лазерных пучков
4.4. Мощность и частота генерации лазера
4.5. Режимы работы лазеров. Генерация коротких импульсов. Генерация гармоник
4.6. Типы лазеров

Модуль 5. Физические процессы в веществе при ЛТС
5.1. Основы физики лазерной плазмы
5.2. Гидродинамическое сжатие топлива
5.3. Схема прямого облучения. Гидродинамическое зажигание
5.4. Развитие гидродинамических неустойчивостей
5.5. Схема с боксом-конвертером. Рентгеновские мишени
5.6. Схема быстрого поджига
5.7. «Карта сражений». Тип мишеней и энергия драйвера

Модуль 6. Лазеры для инерциального термоядерного синтеза
6.1. Лазеры для экспериментов по термоядерному синтезу
6.2. Лазеры на неодимовом стекле
6.3. От джоуля к мегаджоулю. История длинной в 60 лет
6.4. Обзор крупнейших мировых лазерных установок для ЛТС
6.5. Увидеть невидимое. Диагностика процессов взаимодействия излучения с веществом при ЛТС
6.6. Результаты экспериментов на крупнейших мировых лазерных установках для ЛТС
6.7. Что дальше? Перспективы развития лазеров для ЛТС