Управляемый термоядерный синтез на пучках тяжелых ионов

М.М. БАСКО
Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва
УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ НА ПУЧКАХ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Дан краткий обзор последних достижений в исследовании перспектив инерциального термоядерного синтеза, использующего в качестве драйвера ускорители тяжелых ионов.
Привлекательность инерциального термоядерного синтеза (ИТС) на пучках тяжелых ионов для термоядерной энергетики обусловлена двумя важными обстоятельствами: 1) сравнительно высокими значениями
к.п.д. ускорителей dr  25–30%, и 2) лёгкой реализуемостью высокой скорости повторения (~ 3–10 импульсов в секунду) ионных импульсов. С другой стороны, ионные пучки гораздо труднее сжать в пространстве и
времени для достижения требуемой плотности мощности на мишени, чем, скажем, лазерные пучки. Как
следствие, демонстрацию зажигания в ИТС планируется осуществить с помощью лазера NIF (США), а доля
ресурсов, направляемых на проработку тяжелоионного направления до сих пор оставалась весьма невысокой.
Экономически выгодное производство энергии требует, чтобы коэффициент усиления термоядерной
мишени G удовлетворял условию Gdr > 10. За последние 20 лет было предложено и теоретически исследовано несколько возможных вариантов тяжелоионных мишеней с коэффициентами усиления G  50–100,
ориентированных на разные комбинации параметров тяжелоионного пучка. Окончательный выбор наилучшего варианта требует более детальной проработки реалистичной конструкции тяжелоионного драйвера на
основе серии экспериментальных программ, финансирование которых пока даже не стоит на повестке дня.
Теоретические исследования в Ливерморской лаборатории (США) [1] были сосредоточены на варианте
тяжелоионной мишени с цилиндрическим хольраумом, облучаемой с двух сторон ионами свинца со сравнительно низкой энергией 3–4 ГэВ/ядро. В серии двумерных расчетов по программе LASNEX удалось показать, что тщательно подбирая геометрию и состав поглотителя ионов можно добиться срабатывания мишени
и достижения коэффициентов усиления G=50–130.
Если система конечной фокусировки пучков позволит выйти из экваториальной плоскости и организовать облучение мишени в так называемой P4-геометрии, то, как показано в работе [2], конструкцию мишени
можно было бы существенно упростить, перейдя к сферическому хольрауму и сохранив коэффициент усиления на уровне G  50–100.
Интересная новая концепция ИТС на тяжелоионных пучках была недавно предложена в ИТЭФ [3,4]. Эта
концепция опирается на использование тяжелых ионов с относительно высокой энергией  100 Гэв/ядро и
вариант быстрого поджига отдельным сверхмощным ионным пучком. Большой пробег 100-гэвных ионов
приводит к необходимости использовать цилиндрическую мишень. Относительно низкая эффективность
цилиндричекого сжатия отчасти компенсируется использованием механизма прямого облучения. Для генерации сверхмощного ионного пучка длительностью 0.2 нс и интесивностью облучения 2.51019 Вт/см2 предлагается использовать метод не-лиувиллевской компресси ионов 4-х различных изотопов и 2-х противоположных зарядов с последующей зарядовой нейтрализацией на стадии конечной фокусировки.
Список литературы
1. D. A. Callahan, M. C. Herrmann, and M. Tabak. Laser and Part. Beams, vol. 20, p. 405, 2002.
2. M. M. Basko. Nucl. Fusion, vol. 39, p. 1031, 1999.
3. D. G. Koshkarev. Laser and Part. Beams, vol. 20, p. 595, 2002.
4. M. M. Basko, M. D. Churazov, and A. G. Aksenov. Laser and Part. Beams, vol. 20, p. 411, 2002.