Техника - молодёжи 1995-05, страница 20

ФИЗИКА

— Алексей Геннадиевич, в печати периодически появляются сенсационные сообщения, скажем, в газете "Известия" (1.2.95), о создании "гиперболоидов инженера Гарина" — мощных лазерных установок. Они якобы могут применяться как космическое оружие, управлять погодой, решить проблемы термояда и т.д. Их накачка осуществляется энергией ядерной реакции. Но возможно ли зто? Ведь, как известно, американцы пытались сделать аналогичные системы для программы СОИ, которую пока отложили из-за сложности и дороговизны.

— Чтобы разобраться, придется немного сказать об особенностях лазеров. Их работа основана на переводе атомов и молекул в возбужденное состояние, или так называемой "накачке", с последующим испусканием ими света. Главное достоинство этого аппарата — когерентность излучения. Фотоны имеют одинаковую длину волны и син фазны друг с другом. В самых мощных системах используются твердое тело или газ, причем не атомарный, а молекулярный.

— С чем это связано?

— Объяснить не прос о Но если на паль цах, то картина примерно такая. Число возбужденных состояний атома — а от это о зависит, сколько испускается фотонов — определяется числом энергетических уров ней, на которые могут перейти его электроны.

В молекуле все сложней — она вращается вокруг своей оси, а атомы в ней совершают колебания друг относительно друга. Вот по чему здесь, помимо электронных, говорят о колебательном и вращательном уровнях энер ии. Следовательно, у молекул боль шее число возбужденных состояний и энергия полученного лазерного излучения.

Влияет на эффективность лазера и способ возбуждения, или "накачки". Сегодня используют свет различных ламп электроны высоких энергий, электрический разряд и т.д. Пока практически все лазерные системы работают на электричестве — от "розетки". Но поскольку технология получения электроэнергии довольно громоздка, весьма заманчиво ее исключить и применить "прямые" источники накачки.

Еще в 70-х годах Л.Гудзенко из ФИАН предложил создать фактически атомный реактор-лазер. Для этого активную зону реактора сделать газообразной, на основе гексафторида урана U²³⁵F₆. По его замыслу, осколки деления атомных ядер должны "накачивать" лазер. Если же подробнее, происходит ионизация газа с образованием свободных электронов высокой энергии. Теряя ее, они и формируют лазерное излучение. Процесс практически тот же самый, что и генерации све а в лазерах, ионизированных электронными пучками. Казалось бы, прекрасно, но ... U²³⁵F₆ сам формировал и сам же по глощал лазерное излучение.

Иной путь, уже реализованный в экспериментах,

Самая мощная лазерная установка, которую в принципе сегодня можно создать, использует ядерную накачку от реактора с разрушаемой активной зоной. Каждый из секторов испускает независимое излучение. На расстоянии 1000 км световое пятно может иметь диаметр 200 м.

ГИПЕРБОЛОИД—

МВДВВДЕВ ППК А

НЕ СЕНСАЦИЯ

— утверждает кандидат физико-математических наук, сотрудник Института общей физики РАН А.Г.ЖИДКОВ, в свое время исследовавший предельные характеристики сверхмощных лазеров.

выбрала группа ученых из Арзамаса-16 и МИФИ. На внутреннюю поверхность металлической трубки со смесью газов нанесли тонкий слой обогащенного урана. Нейтроны из атомного реактора, бомбардируя слой стимулируют ядерную реакцию. Его толщина столь мала, что продукты распада вылетают, ионизируют газ, формируя лазерное излучение.

— Какой же выигрыш от прямого преобразования ядерной энергии в лазерный луч? Получается долгожданный "гиперболоид"?

— Пока, к сожалению, нет. Система имеет много ограничений. Скажем, слой урана очень тонок - следовательно, быстро срабатывается и требует частой замены, что нетехн (логично. Нельзя использовать труб ки большого диаметра, так как у осколков деления пробег в газе невелик и в центральной части среда остается неионизирован-нои

Еще одно ограничение связано с потоком нейтронов. У обычных реакторов, работающих в непрерывном режиме, он небольшой — 10¹¹ — 10'² нейтронов/см²»с. Этого не хватает для возникновения лазерного излучения. Дело в том, что количество осколков, а следовательно, и образовавшихся фотонов, должно превышать определенный по рог, зависящий, скажем, от поглощения излучения в среде и других видов потерь.

Существуют квазинепрерывные реакторы, где поток достигает 10'⁴ — 10¹⁵ нейтро-нов/см²»с что уже превышает порог накачки. И вправду — лазер 'запускается", но только с атомарной средой. Для молекулярной он все же мал. Так что предельный уро вень энергии лазерного излучения (10 кДж), который можно получить на таких системах, уступает многим "розеточным" установкам.

Правда, их энергию пытаются увеличить, суммируя излучение, скажем, от 1000 трубок. Но оно некогерентно, так как каждая

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 5 ' 9 5

испускает свет независимо от других. Поэтому при фокусировке энергия пропорциональна числу трубок, а если бы его удалось сфазировать — зависимость стала бы квадратичной. Но пока эта задача не решена.

Лазеры с ядерной накачкой имеют и другие недоста ки. Например, из-за бомбардировки азовои среды тяжелыми осколками, а также ее размещения в активной зоне реактора она нагревается, причем неоднородно. В результате возникают температур ные перепады, что резко снижает качество излучения увеличивается расходимость луча, ухудшается распределение в нем энергии и т.д.

Все эти минусы делают лазерные установки с применением квазинепрерывных реакторов невыгодными по сравнению с традиционными.

— Но есть еще более мощные реакторы — импульсные? У них поток нейтронов выше...

— Такие попытки делаются. Например, у системы типа "Барс' он 10¹⁵ — 10 ⁶ нейтро-нов/см²»с. И все-таки этого не хватает чтобы использовать для генерации лазерного луча молекулярные активные среды. Апото му КПД установок уступает тем которые на качиваются от "розетки". Хуже и качество света — по упомянутым причинам. Что же касается получаемой энергии луча, то в принципе она может достигать 100 кДж. Примерно такие же параметры у уже существующих американских лазеров на неоди-мовом ;текле и отечественных йодных, использующих электроэнергию.

— Весьма прилично. Неужели ей нельзя найти области применения? Пусть мы потеряем в КПД и качестве излучения, зато выиграем благодаря прямой накачке, отказу от электричества.

— Какие тут могуг быть области Термояд? Для осуществления синтеза легких ядер в более тяжелые требуется очень высокие мощности лазерного излучения — естественно, при очень коротких импульсах около 10 не. У "Барса", из-за т хнологических ограничений самого реактора, он 200 мкс. И по ому развиваемой мощности для синтеза не хватает.

Кое-кто предлагает делать фотонные двигатели. Однако КПД такого лазера около 1%, у транспортной системы он будет еще ниже. Стоит ли игра свеч? Словом, приемлемых областей применения не видно.

— А если рассмотреть гипотетический вариант: режим реактора доводится до взрывного. Какова будет энергия лазерного луча?

— Такие установки — они называются реакторами с разрушаемой активной зоной — уже есть. У них поток достигает 10¹⁹ неитро-нов/см²»с! Его вполне дос аточно, чтобы задействовать молекулярные переходы, а значит, существенно поднять КПД лазера. При этом энергия луча может превысить 1 МДж. Однако опять есть серьезный недостаток: система одноразовая. Ведь все-таки почти взрыв, хотя и выделяется 1 /200 000 его энергии.

— Как же такие системы вообще можно использовать?

— В экспериментах примерно так Ядерный заряд помещают в своеобразную бочку с толстыми стенами. Рядом — лазер, его среда ионизируется осколками деления цепной реакции. Вся система устанавливается в специальном боксе, под землей. Производится подрыв заряда (бочка при этом не разлетается!), и регистрируют лазерное излучение. В помещение входят только на следующий день, когда спадет радиоактивность. Надо поправить оптику и заново загрузить бочку ядерным материалом. Ясно, что промышленное применение подобных

18