Физика лазеров

На базе водно-импульсного реактора ВИР-2М с энерговыделением в активной зоне до 60 МДж и длительностью нейтронного импульса 3 мс и более создан экспериментальный комплекс для исследования характеристик лазеров с ядерной накачкой (ЛЯН) и отработки элементов конструкции ядерно-лазерных устройств. В состав комплекса входят лазерные установки ЛУНА-2М, ЛУНА-2П и ЛЯН-2Т. На реакторе ВИР-2 проведен большой объем фундаментальных исследований по поиску и оптимизации параметров газовых ЛЯН и изучению их энергетических и спектральных характеристик, измерены неоднородности плотности газовых сред, расходимость лазерного излучения, характеристики пленочного уранового топлива. В РФЯЦ-ВНИИЭФ получена и исследована генерация более чем на сорока переходах атомов Xe, Kr, Ar, Ne, C, N, O, Cl, ионов Cd⁺, Zn⁺ в видимой и ИК-областях спектра при возбуждении газовых смесей осколками деления урана, а также продуктами реакций ³He(n,p)3H и ¹⁰B(n,α)⁷Li в нейтронных полях импульсных ядерных реакторов. Одним из главных научных достижений, реализованных на этой установке, наряду с высокими значениями КПД (до 2,5 %) является демонстрация возможности работы ЛЯН даже при нейтронных потоках на периферии активных зон практически всех энергетических и исследовательских ядерных реакторов непрерывного действия.

На комплексе ВИР-2М/ЛУНА-2М проведен большой объем экспериментов по исследованию спектральных характеристик различных газовых сред, возбуждаемых осколками деления урана, и поиску новых ЛЯН, получена информация о начальных коэффициентах усиления и параметрах насыщения активных сред лазеров на смесях Ar-Xe (λ = 1,73 мкм) и He-Ar-Xe (λ = 2,65 мкм). При разработке реакторов-лазеров непрерывного действия необходимы практическая демонстрация такого режима, конструкторско-технологическая отработка и изучение характеристик устройств с поперечной прокачкой газа. Для решения этих задач разработан и изготовлен лазерный 4-канальный модуль ЛМ-4.

Установка ЛМ-4 состоит из четырех лазерных каналов сечением 20х60 мм и активной длиной 1 м, включенных совместно с размещенными между каналами пластинчатыми радиаторами в единую газовую петлю, в которой осуществляется поперечная прокачка. Система возбуждается потоком нейтронов от реактора БИГР длительностью ~ 1,5 с. Длительность генерации определяется длительностью импульса облучения реактора БИГР. Впервые в мире на практике продемонстрирована непрерывная генерация в лазерах с ядерной накачкой и показана эффективность способа поперечной прокачки газа. Мощность лазерного излучения ~ 100 Вт. В настоящее время эти энергетические характеристики для лазеров с ядерной накачкой являются рекордными. В 2000-2001 гг лазерный модуль был существенно модернизирован, переделаны оптическая схема и системы регистрации, юстировки и управления.

Эксперименты показали, что при работе в квазиимпульсном режиме длительность импульса, мощность и энергия генерации в сложенном канале оказались существенно выше, чем в одинарном, а пороги генерации – существенно ниже. Данные результаты являются наглядным доказательством возможности применения последовательной схемы сложения лазерных каналов и снижения, таким образом, диаграммы направленности светового луча.

В ходе исследований, проведенных на модернизированном экспериментальном комплексе ЛМ-4М/БИГР, продемонстрирована работа многоэлементного ядерно- лазерного устройства в непрерывном режиме после длительной (7 лет) консервации установки без замены оптических и топливных элементов. Фактически модуль ЛМ-4 может рассматриваться как реактор-лазер (РЛ) в миниатюре, обладающий всеми его качествами кроме возможности самоподдерживающейся (цепной) ядерной реакции, обеспечивающей ядерную накачку без использования внешних нейтронных полей. Эта задача решается простым масштабированием рабочей зоны ЛМ и введением системы управления реактором. Выработана концепция РЛ как автономного ядерно-физического устройства, совмещающего функции лазерной системы и ядерного реактора и осуществляющего прямое преобразование энергии ядерных реакций в лазерное излучение.

Реактор-лазер является, в сущности, набором определенного количества лазерных ячеек, размещенных должным образом в матрице замедлителя нейтронов. На основе результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, конструкторско-технологических проработок, опыта отечественного реакторостроения, эксплуатации исследовательских ядерных реакторов и лазерных комплексов определены основные энергетические, ядерно-физические, технические и эксплуатационные параметры различных вариантов РЛ с мощностью лазерного излучения от 100 кВт до нескольких мегаватт, работающих во временных интервалах от нескольких секунд до непрерывного режима. Рассматривались РЛ с аккумулированием тепла в активной зоне (АЗ) реактора в пусках, продолжительность которых ограничена допустимым нагревом АЗ (теплоемкостные РЛ), и РЛ с выносом тепловой энергии за пределы АЗ, т.е. без ограничения по энергетике.

Реактор-лазер для промышленного применения с невысокой при мощности лазерного излучения ~1 МВт должен содержать ~конструкторско-технологическим и эксплуатационным соображениям такую установку удобно выполнить секционированной, состоящей из функционально законченных модулей.

Реактор-лазер непрерывного действия имеет сменные лазерные модули,составляющие в совокупности активную зону РЛ.
Лазерный комплекс кроме собственно РЛ включает в себя оптические системы формирования лазерного излучения и транспортировки его к объекту воздействия, систему управления и защиты реактора и систему управления лазерным излучением, периферийные системы прокачки и охлаждения лазерной среды и теплоносителя. Система формирования лазерного излучения в значительной степени определяется назначением комплекса. Преимущества РЛ обусловлены высокой удельной и абсолютной энергоемкостью, практически недостижимой в других типах лазеров, эффективным преобразованием в широком оптическом диапазоне, отсутствием промежуточных ступеней преобразования энергии, гибкостью управления.
Возможные применения реакторов-лазеров:

• Снабжение энергией спутников, базы на темной стороне Луны,космических объектов.
• Лазерные ракетные двигатели для старта с Земли и межпланетных полетов.
• Очистка космоса от мусора и отработавших ЯЭУ.
• Вывод полезных грузов на космические орбиты.
• В качестве инструмента для резки и сварки крупногабаритных установок.
• Утилизация экологически опасных установок.
• Утилизация особо прочных и толстостенных конструкций,разделка которых традиционными способами затруднена или невозможна.
• Оперативный ремонт дорогостоящих производственных установок с непрерывным циклом работы.
• Ликвидация последствий стихийных бедствий, аварий и катастроф, в особенности сопровождающихся повышенной экологической.

Работы по созданию мощных РЛ непрерывного действия с прямым преобразованием ядерной энергии в лазерное излучение являются новым направлением современной физики, возникшим на стыке последних достижений в ядерной энергетике и лазерной технике. Такие работы в стране и за рубежом проводятся впервые. Реализация такой программы станет существенным вкладом в создание энергетики будущего, позволит сохранить научно-технический потенциал России и мировой приоритет в новой перспективной области науки и техники.
Во ВНИИЭФ завершается создание ядерно-физической установки, являющейся физической моделью РЛ непрерывного действия с поперечной прокачкой лазерной среды.