# Свет из реактора

Леонид Александрович Ашкинази

Свет из реактора


Стандартная схема использования энергии как атомного, так и термоядерного реактора известна: кинетическая энергия осколков деления и нейтронов передается теплоносителю, он испаряется, пар вращает турбину, а она - электрогенератор. Теплоносителей может быть и два: первый передает тепло второму, а уж пары второго вращают турбину. Чем длиннее цепочка и больше оборудования, тем больше вес, габариты и стоимость, тем меньше надежность и кпд. Поэтому примерно с середины прошлого века существует целое направление в прикладной физике и энергетике - "прямое преобразование". Речь обычно идет о преобразовании тепла в электричество без котлов и турбин (термоэлементы), иногда еще "прямее" - атомной энергии в электрическую (изотопная батарея). Но если конечному потребителю нужно не электричество, а лазерный луч? Если конечный потребитель - авиационный завод, который лазером варит крылья самолетов? Тогда возникает вопрос о прямом преобразовании атомной энергии в лазерное излучение.


Физические процессы


Чтобы лазер заработал, нужно, в частности, создать инверсную заселенность, то есть ввести в активную среду энергию, причем так, чтобы на верхних энергетических уровнях было больше молекул (или атомов), чем на нижних. Энергию в среду можно вводить посредством газового разряда, электронными и ионными пучками, электромагнитным излучением (оптическая накачка) и некоторыми другими способами.


При любом способе накачки среды, если плотность мощности достаточна, рабочий газ превращается в плазму. По типу ионизационного состояния плазмы способы накачки можно разделить на два: тепловая ионизация и накачка жестким ионизатором. Тепловая ионизация идет в газовом разряде, в которых энергия от электрического поля к электронам передается малыми порциями (за время свободного пролета), затем переводится в тепло (в упругих столкновениях), а уж затем происходит собственно ионизация. При накачке жестким ионизатором последовательность процессов обратна: быстрая заряженная частица или коротковолновый фотон ионизуют газ, далее низкоэнергетичные электроны плазмы охлаждаются в столкновениях с нейтралами и рекомбинируют.


Жестким принято называть такое корпускулярное или электромагнитное излучение, которое ионизует и возбуждает газ, но слабо взаимодействует непосредственно с электронами образовавшейся плазмы. Это могут быть электронные и ионные пучки, продукты ядерных реакций, потоки коротковолновых фотонов (вплоть до гамма-квантов, получаемых в ядерном взрыве). Жесткие частицы (электроны, ионы, фотоны) как бы выдергивают электроны из основного состояния атомов, создавая плазму с повышенной степенью ионизации. Конструкция лазера в этом случае определяется в первую очередь пробегом ядерного осколка в лазерной среде. В газах атмосферной плотности это сантиметры. Соответственно ядерно-активное вещество должно быть либо перемешано с лазерно-активной смесью, либо нанесено тонким слоем (несколько мг/см2) на поверхность трубок или пластин (лазерных кювет), содержащих ионизуемый газ. На практике реализованы оба способа.


Для накачки лазерных сред может использоваться энергия деления как легких ядер (3He, 6Li, 10B), так и тяжелых (235U, 239Pu) при попадании в них нейтронов. Образующиеся при этом заряженные частицы (протоны, альфа-частицы, осколки деления) ионизируют среду и создают инверсную заселенность.


Немного истории


Вот краткий и, конечно, неполный перечень - когда, что и кем сделано.


1963. Предложение лазера на СО2 с ядерной накачкой, фирма "United Aircraft".


1972. Первый запуск такого лазера на смеси He-Xe (длина волны 3 мкм), мощность 25 Вт, кпд 0,45%, ВНИИЭФ (опубликовано в 1979 году).


1974-1975. Генерация ядерного СО лазера, фирма "Sandia Nat. Labs".


1974-1976. Генерация на XeI, KrI и ArI (1,15-3,5 мкм), мощность излучения до 2 кВт, КПД до 2,2% ВНИИЭФ.


1978 Генерация на атоме Cl (1,59 мкм), NASA-Langley.


1979-1982. Запуск первого ядерного лазера видимого диапазона на He-Cd (533,7 нм, 537,8 нм, 441,6 нм), МИФИ.


1984-85. He-Cd лазер (441,6 нм) мощность 1 кВт, кпд 0,4%, ВНИИТФ, ВНИИЭФ.


1985. He-Ne-Ar лазер, волна 585,3 нм, ВНИИЭФ, МИФИ.


1988. Получен рекордный кпд He(Ar)-Xe лазера 3% (2,03 мкм), "Sandia Nat. Labs".


1992. Генерация в смеси He-Xe-Hg-H2 (546,1 нм), ВНИИТФ.


1994. Генерация в смеси Ar-Xe длительностью 1,5 с, ВНИИЭФ.


1996. Первая генерация в УФ-диапазоне на смеси He-N2-H2 (391 нм), ВНИИТФ.


Как это сделать


При накачке лазеров осколками деления, несущими примерно 82% энергии, наиболее эффективной была бы система, в которой уран равномерно распределен в лазерной среде. Однако поиск лазерных сред на основе гексафторида урана, единственного газообразного соединения при невысоких температурах, не привел к успеху из-за сильного тушения возбужденных атомов лазерных сред молекулами UF6. Поэтому была принята схема, в которой накачка осуществляется от урана, нанесенного в виде тонкого (прозрачного для осколков деления) слоя на внутреннюю поверхность лазерной кюветы. Такой слой практически не влияет на качество лазерной среды, но более половины энергии осколков деления теряется в слое и подложке, на которую нанесен слой. Толщина слоя определяется несколькими конкурирующими критериями и составляет в оптимальных условиях 1-3 мкм (2-6 мг/см2), при этом в газ передается 15-25% энергии ядерных делений.


Поперечные размеры лазерной кюветы определяются длиной пробега осколков деления в газе. Так, для равномерной накачки лазерных сред на основе гелия при давлении около 2 атм поперечный размер кюветы должен составлять 20-30 мм, при этом удельная мощность накачки составит около 20-30 Вт/см3 в полях тепловых нейтронов с плотностью потока примерно 1015 нейтронов/см2с. При таких мощностях газ менее чем за 0,1 с нагревается до 1000оС. Теплопроводность газа не обеспечивает отвод энергии на стенки кюветы, и для работы при длительности более 10 мс требуется принудительный теплоотвод, например, за счет прокачки газа через объем кюветы, причем поперечная прокачка на один-два порядка эффективнее продольной (как и в СО2-лазере). Слой урана наносится на подложку, в роли которой может выступать и замедлитель. В осевом направлении лазерные каналы заканчиваются зеркалами резонаторов, окнами Брюстера, поворотными зеркалами или другими оптическими элементами.


К настоящему времени экспериментально получена и исследована генерация более чем на сорока переходах атомов Xe, Kr, Ar, Ne, C, N, O, Cl, Hg, ионов Cd+, Zn+ и молекулы N2 в видимой, ИК- и УФ-областях спектра при возбуждении газовых смесей осколками деления урана, а также продуктами реакций 3He(n,p)3H и 10B(n,?)7Li в нейтронных полях импульсных ядерных реакторов. Также неплохо изучены основные каналы релаксации в смеси Ar-Xe, возбуждаемой пучком быстрых частиц. В экспериментах на импульсных ядерных реакторах в резонаторах с активной длиной 2 метра при мощности накачки около 1 Вт/см3 и более кпд преобразования ядерной энергии в излучение Xe-лазера достигал 2,5%.


Некоторые исследователи пошли путем промежуточного преобразования ядерной энергии в какой-либо иной вид энергии, чтобы затем преобразовать ее в лазерное излучение. И хотя такой метод связан с дополнительными потерями, он представляется более простым и в некоторых случаях целесообразным. Так, группа одного из пионеров в области ядерных лазеров Марка Преласа из университета Миссури (США) разрабатывает идею преобразования ядерной энергии в оптическое излучение газовых сцинцилляторов и надеется с помощью этого излучения, выведенного за пределы ядерного источника - энергетического реактора, возбуждать лазерные элементы, например, на основе стекла, активированного Nd. Более сложным путем пошли исследователи из ВНИИЭФ, пытаясь найти лазерную среду, не теряющую своих лазерных свойств в интенсивных полях ядерных излучений. Такие конденсированные среды были найдены. Так, в 1971 году была получена сверхлюминесценция при возбуждении охлажденного до 200 К раствора хелата европия в ацетоне, а в 1980-1981 годах получена лазерная генерация на одной из разновидностей стекла, активированного Nd при накачке оптическим излучением сцинтиллятора - кристалла CsJ в активной зоне мощного импульсного реактора.


Чтобы увеличить эффективность ядерно-лазерных преобразователей, для накачки надо использовать энергию наиболее высокоэнергетичных продуктов ядерных реакций. В случае реакции деления ядер урана - энергию разлетающихся осколков деления, в случае термоядерной энергии синтеза - кинетическую энергию разлетающихся быстрых нейтронов. Энергию нейтронов можно использовать, передав ее в упругих столкновениях ядрам лазерной среды. Если масса ядер близка к массе нейтрона (водорода или гелия), то основная доля его кинетической энергии передается ядрам среды буквально в двух-трех соударениях, то есть эффективно и очень быстро. Такой тип ядерной накачки можно назвать нейтронной накачкой.


Применения


Ядерный лазер применим везде, где вообще применим лазер. Перечислять можно до бесконечности, но это неинтересно. А важно то, что внедрение любой новой техники требует вложений и усилий, а значит, будет происходить в том случае, если у данного решения есть серьезные преимущества. Так вот, преимущества реакторов-лазеров перед другими типами лазерных систем будут расти из двух корней. Первый - прямое преобразование. Отсюда простота, дешевизна, компактность, надежность, автономность. Второй корень - высокая удельная и абсолютная энергоемкость. Отсюда - возможность создания мобильных устройств малого веса и размера, например для ремонта на месте громоздких сооружений - мостов, корпусов ядерных и химических реакторов, прокатных станов. А также для разнообразных космических применений, поскольку там каждый килограмм на счету.


Возможно, ядерно-оптические лазеры станут широко применяться в фотохимии. Среди многочисленных реакций, катализируемых светом, особое значение имеет фотосинтез. Солнечная энергия на протяжении первых двух миллиардов лет существования Земли создавала благоприятные условия для возникновения и развития растений. Главные из этих условий - температура от 10оС до 35оС и освещенность с потоком энергии около 0,1 Вт/см2 в видимом диапазоне. Ядерно-оптический преобразователь может воспроизводить эти условия, причем спектр поглощения хлорофилла и спектр излучения гелий-неоновой плазмы почти совпадают. И не исключено, что возможна "резонансная накачка" молекул, регулирующих фотосинтез, при этом скорость образования биомассы увеличивается в несколько раз.


Относительно низкие температуры и световые потоки, необходимые в этом случае, означают, что устройство будет работать долго и надежно и мы получим этакое "ядрное болото", живущее само по себе, без присмотра и надзора, и генерирующее биомассу. Между прочим, управляемая реакция фотосинтеза может обеспечить генерацию не только кислорода, но и углеводородов, горючих газов, спирта и других экологически чистых видов топлива.