Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза Корешева Елена Ростиславовна

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ современных проблем итс в области формирования и доставки топливных мишеней 15

1. Условия реализации ИТС с положительным выходом энергии 15

2. Структура топливной мишени для различных схем ИТС 16

2.1. Мишень для прямого облучения

2.2. Мишень для прямого зажигания

2.3. Мишень для непрямого облучения

2.4. Критерии качества мишени, необходимые для реализации идеи инерциального термоядерного синтеза

3. Проблема сохранения качества криогенного слоя при доставке мишеней 26

4. Проблема минимизации количества радиоактивного трития в DT-смеси 29

5. Методы формирования криогенного слоя внутри полой сферической оболочки 32

5.1. Криогенные мишени для установок с энергией лазера Ел < 1 кДж

5.2. Криогенные мишени для мощных лазерных установок и реактора

5.3. Способы повышения прочности и температурной стойкости криогенного слоя

6. Перспективные задачи в программе ИТС 39

2. Исследование газопроницаемости и механической прочности микросфер при температурах ниже 300 К 42

1. Вводные замечания 4?

2. Режимы заполнения, хранения и разгерметизации микросфер 43

2.1.Экспериментальное определение коэффициента газопроницаемости стенки полистироловых микросфер при различных температурах

2.2. Исследование температурной зависимости прочности на разрыв стенки полистироловых микросфер

3. Процедура заполнения микросфер газом

3.1. Заполнение стеклянных микросфер

3.2. Заполнение полимерных микросфер

4. Приготовление газообразных смесей с заданной концентрацией добавки

4.1. Получение смесей с концентрацией добавки >10%

4.2. Получение смесей с концентрацией HD 1-^-10 %

4.3. Получение смесей с концентрацией HD менее 1%

3. Формирование высокодисперсного слоя из твердых изотопов водорода внутри замкнутой микросферы 78

1. О задаче формирования твердого слоя топлива в высокодисперсном состоянии 78

2. Условия получения и свойства твердо-водородного слоя в высокодисперсном состоянии 30

2.1. Условия формирования вещества в твердом высоко-дисперсном состоянии

2.2. Оценка скорости охлаждения, необходимой для аморфизации твердого водорода и дейтерия

3. Экспериментальная установка для криогенных иследований и методика проведения экспериментов 35

3.1. Экспериментальная установка

3.2. Методика скоростного формирования криогенного слоя

3.3. Возможности экспериментального комплекса

4. Получение твердых водородов в аморфном состоянии (закрепленная микросфера) 95

4.1. Вводные замечания

4.2. Получение прозрачных пленок из изотопов водорода способом скоростной переконденсации (метод FIF)

5. Формирование высокодисперсного прозрачного твердого слоя из изотопов водорода внутри незакрепленных движущихся микросфер (метод FST) 99

5.1. Оценка максимальной скорости охлаждения, достижимой при теплоотводе через пятно контакта между микросферой и охлажденной стенкой

5.2. Результаты вымораживания слоя по методу FST

6. Модель образования высокодисперсного криогенного слоя на внутреннй поверхности микросферы при высокой скорости охлаждения 103

7. Рекристаллизация прозрачных слоев твердого водорода с различным уровнем дисперсности 105

8. Эксперименты по диспергированию топливного слоя за счет внешнего периодического воздействия 108

4. «Водородные стекла». Образование термостойкого твердого прозрачного слоя из смесей изотопов водорода 114

1. Обоснование эксперимента 114

2. Получение устойчивых прозрачных слоев путем внесения малых добавок к изотопам водорода. Поиск оптимальных условий формирования 115

2.1. Условия эксперимента

2.2. Получение прозрачного слоя на основе смеси Нг/HD и изучение его свойств

2.3. Результаты экспериментов по формированию криогенного слоя на основе смеси дейтерия с различными добавками. Исследование тепловой устойчивости полученного прозрачного слоя из смесей H2/HD/D2, а также из смеси D2/Ne

2.4. Выводы

3. Обсуждение возможной природы термостойкого твердого прозрачного слоя 129

3.1. Методология

3.2. Механизм деградации прозрачного слоя: рекристаллизация или структурная релаксация? Сравнительный анализ собственных и литературных данных

3.3. Установление природы термостойкого прозрачного слоя

5. Комбинированный метод формирования сферически- симметричного высокодисперсного слоя толщиной > 20 мкм внутри движущихся незакрепленных микросфер 139

1. Быстрая симметризация толстого слоя из изотопов водорода внутри незакрепленных микросфер, движущихся в вакумном канале с охлажденными стенками 139

1.1. Об особенностях метода FST

1.2. Методика эксперимента

1.3. Результаты экспериментов по симметризации слоя

1.4. Получение равнотолщинного толстого слоя в состоянии «водородное стекло»

2. Капельная конденсация в замкнутом объеме микросферы как инструмент для достижения равномерного перемешивания добавки и основного компонента смеси 146

2.1. Конденсация газообразного водорода внутри замкнутой микросферы в условиях медленного охлаждения

2.2. Обнаружение и регистрация процесса капельной конденсации в объеме микросферы

2.3. Оценка скорости образования капель- затравок в объеме микросферы при различных плотностях газа

3. Оценка эффекта разделения жидкой смеси за счет термодиффузии 157

4. Перспективы дальнейшего развития технологии формирования слоя внутри незакрепленной движущейся микросферы 158

6. Механизм теплового разрушения криогенного слоя 165

1. Взаимодействие молекул пара с охлажденной поверхностью 166

2. Миграция твердого топлива под действием градиента температуры: экспериментальные наблюдения 168

3. Описание процессов переноса твердого топлива при наличии градиента температуры вдоль свободной поверхности слоя 171

4. Искажение качества кристаллического топливного слоя вследствие анизотропии его свойств 179

5. Выбор оптимальной микроструктуры твердого топлива для решения проблемы получения устойчивого криогенного слоя 184

7. Новая технология непрерывного формирования криогенных мишеней 194

1. Пути решения проблемы непрерывного пополнения топливом зоны горения реактора ИТС 194

2. Устройство для непрерывного производства криогенных мишеней, их сборки с капсулами и транспортировки в инжектор 197

3. Намагничивание капсулы-носителя в соленоидальном поле: влияние формы и материала 201

4. Ускорение цилиндрической капсулы-носителя мишени в электромагнитном поле соленоида при криогенных температурах 203

4.1.Ферромагнитная капсула

4.2. Капсула из магнито-диэлектрика

5. Теоретическая модель ускорения капсулы в электро-магнитном поле соленоида... 209

5.1.Упрощенная модель расчета ускоряющей силы

5.2. Полная модель расчета ускоряющей силы

5.3. Динамика движения капсулы в магнитном поле соленоида

5.4. Оптимизация параметров системы капсула-соленоид

6. Создание системы контроля параметров движения инжектированной мишени 217

7. Физическая концепция новой технологии формирования и доставки криогенных топливных мишеней 220

Заключение 223

• Структура топливной мишени для различных схем ИТС
• Исследование температурной зависимости прочности на разрыв стенки полистироловых микросфер
• Модель образования высокодисперсного криогенного слоя на внутреннй поверхности микросферы при высокой скорости охлаждения
• Оценка эффекта разделения жидкой смеси за счет термодиффузии

Введение к работе

Более полувека тому назад перед учеными была поставлена задача использования для практических целей энергии термоядерного синтеза, которая выделяется при слиянии легких ядер: дейтерия (D) и трития (Т), D и D, D и Не и пр. Два основных подхода к решению поставленной задачи, магнитный термоядерный синтез (МТС) и инерциальный термоядерный синтез (ИТС), находятся сейчас на такой стадии развития, когда актуальными проблемами становятся разработка реакторных технологий и построение демонстрационного реактора. Эти исследования ведутся сейчас на основе национальных программ отдельных стран, а также в рамках международных проектов. Один из примеров - "Технический проект ИТЭР" (участники: Россия, Евросоюз, Япония, США, Канада, Корея) — программа построения демонстрационного международного термоядерного реактора, основанного на схеме управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием [1]. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза в рамках МТС имеет ряд неразрешенных проблем, связанных с изоляцией высокотемпературной плазмы от стенок реактора, устойчивостью нагретой водородной плазмы и пр., которые и предполагается решить в проекте ИТЭР.

В США существует долгосрочная программа построения к 2040 г. действующей электростанции на основе ИТС [2]. В программе предполагается, что выход на оптимальные технологии произойдет к 2012 г., а демонстрация работы пилотной установки в непрерывном режиме выработки электроэнергии - к 2025 г. Япония, Россия и Европейский Союз также ведут исследования в этом направлении [3-8]. Для снижения общей мировой суммы затрат на подобные исследования, необходима координация исследовательских программ разных стран. С этой целью, в МАГАТЭ, начиная с 2000 г. при участии представителей 11-ти стран (в том числе: США, Япония, России, Германия, Испания, Индия, Южная Корея, Чехия, Венгрия, Польша и Узбекистан) осуществляется работа координационного научно-технического проекта «Элементы конструкции энергетической станции на основе ИТС» [9].

В ИТС, в качестве источника энергии для сжатия и нагрева микроскопической мишени с DT-топливом до термоядерных температур, применяется специальный драйвер: лазер, источник ионных пучков, Z-пинч. Начало этому подходу положила работа Н.Г.Басова и О.Н.Крохина [10], в которой показана принципиальная возможность применения излучения лазеров для нагрева плазмы до термоядерных температур.

Другим необходимым условием реализации схемы ИТС с положительным выходом энергии является сжатие топлива до высоких плотностей п ~10²⁴^10²⁶ см"³ (100-И 000 г/см³) [11], что определяется критерием Лоусона для DT-смеси: пт>10¹⁴ сек/см³, где т~10"-И0"^п сек - время удержания сжатой плазмы в схеме ИТС. Исследования по оптимизации условий взаимодействия пары драйвер-мишень для получения наилучших условий сжатия, горения и разлета топлива проведены в большом числе теоретических работ российских и зарубежных ученых (см., например, [12-19]).

В настоящее время рассматриваются три возможные схемы облучения мишени светом лазера: прямое облучение, непрямое (или рентгеновское) облучение и прямое зажигание (или быстрый поджиг). Структура и параметры мишени существенно зависят от энергии излучения, а также от схемы взаимодействия пары лазер-мишень, в результате которой достигается высокая плотность сжатия и нагрев DT-топлива. Однако, как видно из Рис.1, конструкции мишеней для каждой из перечисленных схем имеют общий элемент -сферическую капсулу, содержащую DT-топливо. В схеме прямого облучения этот элемент и представляет собой собственно мишень.

Для того, чтобы взаимодействие пары лазер-мишень дало необходимый эффект, топливо должно сжиматься с высокой скоростью и при минимальной энтропии. Поскольку первая ударная волна, движущаяся под действием давления Р через топливо плотностью р, вносит в вещество энтропию порядка s~P/p , следует использовать топливо с максимально возможной начальной плотностью, т.е. жидкое или твердое. В оптимальном варианте топливо должно находиться в конденсированном состоянии и представлять собой сферически-симметричный слой (т.н. криогенный слой), покрьгеающий внутреннюю поверхность сферической капсулы (см. Рис.1).

Требования к качеству криогенного слоя для мишеней прямого облучения являются наиболее жесткими: однородность по массе, сферичность и концентричность лучше, чем 2%, возмущения свободной поверхности <0.1 мкм [20,21]. Получение криогенного слоя, удовлетворяющего данным критериям качества, является одной из важнейших задач технологии изготовления мишеней.

(а) (61 (в)

Рис. I. Топливные мишени для трех концепций облучения: (а) прямое облучение, (б) непрямое или рентгеновское облучение, (в) прямой поджиг

Внутренний радиус оболочки, мм

Рис.2. Параметры криогенного слоя в.мишенях, предназначенных для прямого облучения на мощных лазерных установках и в реакторе ИТС

Предполагается, что экспериментальная демонстрация термоядерного поджига, горения и положительного выхода энергии будет достигнута к 2010-2015 гг. на строящихся установках с энергией лазера от 0.3 МДж (ИСКРА-6, Россия) до 1.8 МДж (NIF, США и LMJ, Франция) [4,23,24], а также на установке FIREX (Япония), предназначенной для демонстрации термоядерного горения в схеме прямого поджига [3]. Чтобы нагреть 1 мг топлива до термоядерной температуры (10 кэВ) требуется затратить примерно 1200 МДж, а для сжатия этого количества топлива до плотности, необходимой для поджига по схеме ИТС (-100-Й000 г/см³) необходимо всего около 7.5-н35.0 МДж*, вот почему схема абляционного сжатия оболочечных мишеней является наиболее энергетически выгодной. Параметры криогенного слоя в мишенях, предназначенных для прямого облучения на лазерных установках с различной энергией и в реакторе ИТС, показаны на Рис.2 (по данным [20,25-29]). Скейлинговые эксперименты на мишенях прямого облучения меньшего размера, содержащих до 0.03-0.05 мг дейтерия (Эг) или DT-топлива, сейчас осуществляются на действующей лазерной установке OMEGA (30 кДж) [29].

Как видно из Рис. 2, количество топлива в мишени для мощных установок и реактора таково, что при комнатной температуре его давление внутри мишени достигает */ Значение энергии, необходимой для сжатия холодной (Ферми-вырожденной) DT-

3 2/3 смеси до плотностей р ~ 100-1000 г/см , можно оценить из соотношения Е_с=0.35ар , где а представляет собой степень вырождения холодного топлива. от ~100 до 1000 атм. Очевидно, что такое давление просто разорвет топливную капсулу, сделанную из пластика. Единственная возможность сохранить микросферу целой это сконденсировать топливо внутри нее. Разрушения капсулы не произойдет, поскольку давление насыщенных паров над поверхностью конденсата достаточно мало: ~ 0.19 атм у DT-смеси и -0.17 атм у D2 (данные для тройной точки).

Таким образом, использование топлива в конденсированном состоянии не только обеспечивает оптимальный режим сжатия мишени, но и является единственной практической возможностью реализации современного лазерного эксперимента. В этом смысле актуальность задачи создания криогенных мишеней требуемого качества трудно переоценить. Разработка методов формирования толстого криогенного слоя (толщиной >20 мкм) интенсивно ведется в лабораториях США, Японии и России.

Необходимость непрерывной подачи мишеней в зону термоядерного горения с частотой ~ 1-й 0 Гц (лазерный и ионный драйвер) или 0.1 Гц (Z-пинч) является одной из критических проблем при построении энергетической станции на основе ИТС [20,30]. Чтобы выполнить это требование, количество мишеней, изготовленных в течение суток, должно достигать, в среднем, ~500000 штук. Кроме того, необходимо создать криогенный инжектор, способный работать при Т<18 К с необходимой частотой и делать до ~500000 выстрелов в сутки. Поскольку первые реакторы ИТС будут работать на основе радиоактивной DT-смеси, в соответствии с правилами радиационной безопасности, все подсистемы реактора должны функционировать в условиях с минимальным расходом трития.

К сожалению, из всех фундаментальных вопросов, касающихся энергии термоядерного синтеза, массовое производство топливных мишеней менее всего изучено и экспериментально не продемонстрировано к настоящему времени. Это связано с тем, что предыдущий опыт проведения экспериментов на установках ИТС позволял работать с мишенью, заранее размещенной в зоне облучения на специальном подвесе [31-34]. Данный факт привел к развитию технологий «штучного» производства мишеней, причем формирование криогенного слоя проводилось непосредственно перед моментом облучения, когда этап доставки криогенной мишени исключен.

Есть и другие проблемы, препятствующие применению существующих методов в реакторных технологиях. Дело в том, что традиционные методы изготовления термоядерных мишеней с толстым слоем из твердого дейтерия или DT-смеси (толщиной 20-150 мкм) связаны с получением этих веществ в термодинамически равновесном кристаллическом состоянии. Для достижения такого состояния (с требуемым качеством поверхности) необходимо очень медленное охлаждение микросферы, заполненной изотопом водорода, в изотермическом внешнем температурном поле. Несмотря на высокое качество слоя, формируемого внутри мишени, недостатки, свойственные этому подходу, ставят под сомнение перспективу его дальнейшего применения в технологии криогенных мишеней для мощных лазерных установок и реактора. К недостаткам относятся [35-39]:

Длительное время формирования. Характерная временная константа симметризации слоя составляет 5-8 часов, полное время формирования (до значения разнотолщинности Nu< 2%) составляет около 24-х часов. Это приводит, во-первых, к появлению большого количества пузырьковых дефектов в структуре слоя (из-за выделения Не при р-распаде трития) и, как следствие, к снижению его прочности и однородности, а, во-вторых, к нарушению требования о минимизации содержания трития в системах ИТС.

Эффект разделения компонентов топливной смеси. Поскольку DT-топливо в равновесии представляет собой смесь трех компонент (~26%D2/26%T2/48%DT) с различным давлением насыщенных паров при заданной температуре, то в процессе длительного формирования смесь разделяется на компоненты (ввиду ректификации и термодиффузии), что приводит к разномассовости слоя, т.е. к снижению эффективности сжатия полученной мишени.

Ограниченная температурная область существования. При снижении температуры однородного прозрачного кристаллического слоя всего на 0.3-1.5 градуса ниже тройной точки изотопа, твердый слой растрескивается. Таким образом, в процессе доставки мишень не должна изменять свою температуру, а это практически невозможно реализовать, особенно при полете мишени в камере реактора.

Задача доставки криогенного топлива с необходимой частотой решается инжекционным, бесконтактным методом. Традиционный подход - применение пневматического инжектора [40-43]. Техническое решение стыковки таких элементов как модуль формирования/инжектор и инжектор/камера реактора здесь трудно достижимо, поскольку необходимо избежать загрязнения внутренних объемов и, в особенности, объема камеры, посторонним (ускоряющим) газом. Существенного упрощения проблемы стыковки можно добиться, если для ускорения мишеней применить электромагнитный инжектор с вакуумированным внутренним объемом. Поэтому, актуальной задачей является исследование возможности применения этого инжектора в системе доставки.

Экспертиза, проведенная в 2004 г. в рамках координационного научного проекта МАГАТЭ «Элементы конструкции энергетической станции на основе ИТС», позволила определить весь спектр актуальных проблем в технологии и доставке топливных мишеней, решение которых позволит значительно продвинуть идею термоядерной энергетики на основе ИТС к ее реальному воплощению [44]. Проблемы следующие:

Разработка и реализация научных основ технологии массового производства незакрепленных мишеней, содержащих криогенный слой требуемого качества

Сохранение параметров криогенного слоя в процессе доставки мишени

Доставка мишеней в зону горения с требуемой частотой

Быстрый контроль параметров мишени

Контроль и управление траекторией движения мишени

Стыковка элементов: модуль формирования/инжектор, инжектор/камера реактора.

В отличие от других научных коллективов, в Физическом институте им. П.Н Лебедева РАН (ФИАН), начиная с 1983 года и по настоящее время, при участии автора, развивались подходы к работе с движущимися незакрепленными мишенями, которые получили название «технологии FST» (FST — аббревиатура от free-standing target, что в переводе с английского означает: незакрепленная мишень). В том числе были исследованы возможности инжекционной доставки мишеней при криогенных температурах, способы работы с массивом незакрепленных мишеней на стадиях заполнения газом и формирования слоя, а также методы формирования криогенного слоя внутри незакрепленных движущихся микросфер., Постоянную поддержку в проведении и расширении этих исследований оказывали академик О.Н.Крохин, проф. А.И.Исаков, д.ф.м.н. Ю.А.Меркульев. Основные результаты получены автором совместно с к.ф.м.н. И.Е.Осиповым и к.ф.м.н. И.В.Александровой (Лаборатория Термоядерных Мишеней, ФИАН). Ряд исследований проведен совместно с другими творческими коллективами, в том числе со специалистами из ОКРФ, Нейтрошю-Физического и Криогенного Отделов ФИАН (к.ф.м.н. А.И.Никитенко, С.М.Толоконников, ЕЛ.Кошелев, к.ф.м.н. Т.П.Тимашева, к.ф.м.н. А.И.Громов, В.И.Щербаков, В.М.Дороготовцев, А.А.Акунец, В.Ф.Троицкий и др.), ФГУП «Красная Звезда» (к.т.н. Г.Д.Баранов, к.т.н. И.Д.Тимофеев, В.ИЛистратов, Г.С.Усачев и др.), МГУ (проф. А.А.Белолипецкий, проф. Л.С.Ягужинский, к.ф.м.н. В.С.Парбузин, Е.А.Писарницкая, А.А.Тоньшин и др.), СПбГПУ (проф.Б.В.Кутеев, к.ф.м.н. Г.В.Капралов), ГНЦ РФ ВНИИНМ им.А.А.Бочвара (к.ф.м.н. Н.Н.Рязанцева, Л.А.Ривкис, и др.) В наших исследованиях использовались микросферы из стекла, лавсана и полистирола (с покрытиями и без них; диапазон диаметров от 200 до 1800 мкм), созданные под руководством д.ф.м.н. Ю.А.Меркульева и при участии коллектива Лаборатории Термоядерных Мишеней, ФИАН [^5"]-

В настоящей диссертации найдены оригинальные решения ряда перечисленных выше актуальных проблем, которые позволяют избежать недостатков, свойственных традиционным методам формирования и доставки. Эти решения основаны на опыте работы с незакрепленными мишенями, накопленном в ФИАН более чем за 20-ти летний период исследований.

Другая особенность нашего подхода к формированию криогенной мишени заключается в получении криогенного слоя в особом, высокодисперсном, состоянии с размером зерна, меньшим, чем допустимая шероховатость свободной поверхности слоя. Поскольку в данном состоянии материал представляет собой изотропную среду, это позволяет избежать условий деградации и разрушения слоя, связанных с анизотропией таких свойств кристаллических водородов как прочность и теплопроводность. Отметим, что в данной работе мы понимаем под высокодисперсным состоянием изотропное состояние вещества с размером кристаллических образований (кластеров, зерен) d<0.1 мкм, среди которых, в соответствии с обзорной работой [НБ\, мы выделяем три основные подвида: (1) мелкозернистые поликристаллические (150A

Целью работы являлось формулировка, теоретическое и экспериментальное обоснование нового подхода к получению криогенных лазерных мишеней с устойчивым слоем из твердых изотопов водорода, а также разработка научных основ новой технологии непрерывного формирования криогенных мишеней с гладким равнотолщинным твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых нагрузок, возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зону лазерного облучения.

Для решения этой задачи было выполнено следующее:

Исследованы особенности образования криогенного слоя с различной микроструктурой, изучены процессы старения слоя, а также закономерности искажения его качества (появление шероховатости и разнотолщинности). Найдено такое структурное состояние твердых изотопов водорода, которое позволяет получить устойчивый криогенный слой. Исследованы процессы симметризации и отверждения жидкого слоя из изотопа водорода, находящегося внутри незакрепленой движущейся микросферы.

С целью получения и исследования устойчивости твердого слоя с различной микроструктурой, разработаны новые оригинальные методы воздействия на изотопы водорода, находящиеся внутри замкнутой микросферы, методы контроля за их состоянием, а также созданы средства для практической реализации этих методов (комплекс лабораторных установок и устройств).

Исследованы процессы газопроницаемости и разрушения стенки микросфер при температурах ниже 300 К с целью оптимизации условий заполнения микросфер газообразными изотопами водорода или смесью газов, а также хранения и транспорта заполненных микросфер в зону формирования внутри них криогенного слоя. 4. Исследован круг вопросов, связанных с задачей непрерывной доставки термоядерных мишеней в зону облучения (горения), в том числе: исследован процесс ускорения капсулы-носителя мишени в электромагнитном поле соленоида при криогенных температурах найдено техническое решение для устройства стыковки модуля формирования и инжектора разработана система контроля скорости и траектории движения мишени, позволяющая синхронизовать приход в зону облучения мишени и лазерного излучения. В результате этих исследований, получены следующие основные результаты. Внутри замкнутых микросфер сформированы криогенные слои из твердых изотопов водорода, при вариации таких внешних факторов, как скорость охлаждения, введение специальных добавок, периодическое механическое воздействие (вибрации). Экспериментально доказано, что присутствие определенных добавок (например, более высокоплавких изотопов водорода или неона) при скоростях охлаждения смеси > 10-50 К/сек способствует получению устойчивого прозрачного твердого криогенного слоя, который не рекристаллизуется при нескольких циклах нагрева-охлаждения в диапазоне от 5 К до тройной точки изотопа. Показано, что другим необходимым условием образования устойчивого слоя является инициация процесса капельной конденсации в объеме микросферы, который способствует равномерному распределению добавки по объему смеси.

Определены условия получения равнотолщинного твердого слоя топлива внутри незакрепленных микросфер. К ним относятся: (1) охлаждение микросферы с первоначально жидким криогенным слоем при теплоотводе через пятно контакта, (2) беспорядочное вращение микросферы в процессе охлаждения.

Разработан оригинальный способ формирования устойчивого прозрачного равнотолщинного твердого слоя из изотопов водорода, внутри незакрепленных микросфер движущихся в трубчатом вакуумном канале с охлажденными стенками. Проведена успешная демонстрация нового метода на дейтерии с добавкой 20% неона, в результате которой внутри микросфер диаметром 1.5-И .8 мм сформирован прозрачный сферически-симметричный устойчивый твердый слой толщиной до 51 мкм. Время формирования составило не более 15 сек. Экспериментальные результаты температурной эволюции слоя свидетельствуют о его аморфной природе.

Теоретически показано: чтобы свести к минимуму скорость роста возмущений слоя (шероховатость, разнотолщинность) в процессе нагрева мишени необходимо, чтобы твердый криогенный слой находился полностью в изотропном состоянии. Это значит, что криогенные мишени, содержащие сферически-симметричный устойчивый высокодисперсный (аморфный) твердый слой, могут быть доставлены в зону лазерного облучения без нарушения качества слоя. Высокая прочность изотропного вещества по сравнению с его кристаллическим аналогом (о чем говорилось выше), является дополнительным преимуществом высокодисперсного криогенного слоя при решении задачи доставки мишени в зону облучения.

Практическое применение нового метода формирования в технологии изготовления термоядерных мишеней позволит избавиться от основных недостатков методов формирования, существующих в мире в настоящее время — длительное время формирования, большая вероятность разделения топливной смеси в процессе симметризации слоя, ограниченная область температурного существования слоя, - и обеспечить эксперименты на мощных лазерных установках мишенями с устойчивыми параметрами качества.

Экспериментально исследована зависимость коэффициента газопроницаемости для D2 и прочности на разрыв стенки микросфер из полистирола при криогенных температурах. Эти результаты позволили определить температурную область, в которой возможно осуществить хранение, разгерметизацию и/или транспортировку газонаполненной микросферы в модуль формирования без разрушения.

Результаты экспериментов по ускорению ферромагнитной капсулы-носителя впервые показали возможность использования электромагнитного инжектора при криогенных температурах. Результаты численных расчетов показали, что для ускорения в электромагнитном инжекторе наиболее эффективным является использование капсулы из магнитодиэлектрика.

Полученные результаты позволили сформулировать физическую концепцию новой технологии непрерывного формирования и инжекционной доставки незакрепленных криогенных топливных мишеней в камеру экспериментальной установки ИТС или реактора. Данная концепция реализована в конкретном техническом решении устройства интеграции модуля формирования и электромагнитного инжектора, в котором достигается непрерывное производство незакрепленных криогенных мишеней, их сборка с капсулами и последовательное ускорение капсул с мишенями в электромагнитном инжекторе. Работа отдельных элементов данного устройства, таких как модуль формирования, системы электромагнитного и гравитационного ввода мишеней, а также система диагностики скорости и траектории инжектированной мишени, испытана на макетах в условиях, близких к рабочим.

Экспериментальные и теоретические результаты, полученные в диссертации, являются надежной научной и технологической базой для создания прототипа фабрики криогенных мишеней. Создание прототипа позволит исследовать ключевые проблемы, связанные с непрерывным производством и доставкой мишеней в реактор. Интеграция прототипа с лазерной системой (пусть мало-мощной), генерирующей импульсы излучения с частотой 1-10 Гц, позволит впервые в мире создать действующую модель реактора и продемонстрировать возможность синхронного взаимодействия лазер-мишень с требуемой частотой. Прототип сможет работать также и в однократном режиме, что позволит использовать его для доставки криогенных мишеней в фокус экспериментальной многопучковой установки ИТС.

Мишени нового класса, содержащие криогенный слой в высокодисперсном состоянии, полезны для фундаментальных исследований в области уравнения состояния вещества, а также в исследованиях, связанных с созданием металлического водорода с помощью всестороннего сжатия вещества по схеме ИТС. Программа таких исследований реализуется, в частности, на установке GEKKO-XII. В настоящее время обсуждается возможность проведения совместных российско-японских исследований в области создания твердоводородного слоя с размером кристаллических зерен менее 0.1 мкм, а также конструирование специализированного криостата для ввода высокодисперсного водородного слоя в фокус лазерной установки GEKKO-XII.

Диссертация состоит из введения, семи теоретических и экспериментальных глав и заключения.

В первой главе дан развернутый анализ современных проблем ИТС в области технологии формирования и доставки криогенных лазерных мишеней. Сформулированы возможные пути решения существующих проблем.

Вторая глава посвящена исследованию процессов газопроницаемости (изотопов водорода и некоторых диагностических газов: азот, ксенон, аргон) и механической прочности стенки микросфер при температурах, ниже 300 К. Здесь также обсуждаются способы получения бинарных и тройных смесей типа D2/Ne, D2/H2 и D2/HD/H2 при содержании отдельных компонент в смеси от 0.2-4% до 50 %, которые использовались для исследования влияния различных примесей на структуру и свойства формируемого криогенного слоя.

Задачей исследования, результаты которого обсуждаются в Главе 3, являлось обнаружение условий формирования высокодисперсного слоя из твердых изотопов водорода, находящихся внутри замкнутой микросферы. Приведены данные опытов, свидетельствующие о зависимости микроструктуры твердого слоя от воздействия следующих факторов: скорость охлаждения, наличие и тип добавки, внешнее периодическое воздействие. При скоростях охлаждения > 500 К/сек экспериментально получены прозрачные слои на основе твердых изотопов водорода, условия устойчивого существования которых следующие: Т < Т_а=(0.43-0.56)Ттр; толщина W<15 мкм. Показано, что температурная эволюция данного прозрачного слоя характерна для веществ, находящихся в состоянии «аморфная пленка» либо нанодисперсное.

Эксперименты, результаты которых представлены в четвертой главе, показали, что введение определенных примесей в водород или дейтерий на этапе заполнения микросферы газом, позволяет расширить область температурного существования прозрачного криогенного слоя от (0.43-0.51)Ттр до Ттр. Кроме того, показано, что присутствие примеси снижает требуемую скорость охлаждения вещества внутри микросферы, а также позволяет увеличить допустимую толщину прозрачного слоя до 50-100 мкм (более толстые слои не иследовали).

В пятой главе определяются условия симметризации слоя толщиной более 20 мкм внутри движущейся незакрепленной микросферы. Исследуется явление капельной конденсации в объеме микросферы и обсуждается его роль, как инструмента для получения конденсированного слоя с равномерным распределением добавки по объему. Предлагается новый, комбинированный метод формирования слоя, основанный на совместном применении принципа FST (быстрое охлаждение+беспорядочное вращение микросферы с топливом) и метода добавок (введение примесей в топливо).

В шестой главе исследуется механизм теплового разрушения топливного слоя в процессе доставки мишени. Доказано, что для того, чтобы свести к минимуму вероятность появления локальных неоднородностей на поверхности топливного слоя и роста его разнотолщинности необходимо, чтобы твердое топливо находилось полностью в изотропном состоянии.

В седьмой главе исследован круг вопросов, связанных с задачей непрерывного изготовления криогенных мишеней и их инжекионой доставки в зону облучения (горения).

В заключении даются общие выводы по итогам диссертационной работы.

Полученные в диссертации результаты опубликованы в 55-ти работах [7,47-100] и доложены на 29-ти международных и российских конференциях и совещаниях. Работа выполнена в период 1984-2005 гг. в Лаборатории Термоядерных Мишеней (Нейтронно-Физический Отдел, ФИАН).

Структура топливной мишени для различных схем ИТС

Исследования по оптимизации параметров системы драйвер-мишень проведены в большом числе теоретических работ российских и зарубежных ученых (см., например, [10-15]). Ссылки на соответствующие работы можно также найти в обзорах [16-19,101]. В настоящее время рассматриваются 3 возможных схемы облучения топливной мишени: прямое облучение, прямое зажигание (или быстрый поджиг) и непрямое (или рентгеновское) облучение. Структура и параметры мишени существенно зависят от энергии излучения, а также от схемы взаимодействия пары драйвер-мишень, в результате которой достигается высокая плотность сжатия и нагрев топлива. Однако, как мы увидим ниже (см. Рис. 1.2-1.4), конструкции топливных мишеней для каждой из перечисленных схем имеют одну общую деталь — сферическое ядро, содержащее DT-топливо. Как показали расчеты, энергия излучения лазера для получения требуемых плотностей топлива составляет 7.5 МДж/г, а для получения требуемой температуры - не менее 1200 МДж/г. Поэтому, идея абляционного сжатия мишени с формированием горячего пятна, в котором сосредоточено лишь малое количество топлива, позволяет существенно снизить требования к энергии лазера. Схема прямого облучения, показанная на Рис. 1.1. служит для реализации этой идеи. Для того, чтобы взаимодействие драйвер-мишень по схеме прямого облучения дало необходимый эффект, топливо внутри мишени должно сжиматься с высокой скоростью и при минимальной энтропии. Мишень для прямого облучения в простейшем случае представляет собой сферическую капсулу, внутри которой содержится топливо. Материал капсулы (обычно пластик) играет роль аблятора. Основная масса топлива в мишени находится в конденсированном состоянии, образуя однородный сферический криогенный слой. Такая конфигурация обеспечивает минимизацию энтропии и получение высоких скоростей сжатия. Поскольку первая ударная волна, движущаяся под действием давления Р через топливо плотностью р, вносит в вещество энтропию порядка s P/p , следует использовать топливо с максимально возможной начальной плотностью, т.е. жидкое или твердое.

В лабораториях США, Японии и России разработаны методы и созданы установки для изготовления топливных капсул, их заполнения газообразным топливом и формирования криогенного слоя. Например, в Лаборатории Термоядерных Мишеней (ЛТМ) Нейтронно-Физического отдела ФИАН, эти разработки ведутся под руководством д.ф.м.н. Ю.А.Меркульева начиная с 1974 года. Здесь построен комплекс оборудования для создания мишеней ИТС [45,102,103]. Исследования в области способов формирования топливного слоя и доставки криогенных мишеней ведутся в ЛТМ начиная с 1978 г. (с 1984 под руководством автора). На Рис. 1.2(a) показан массив полистироловых капсул диаметром от 0.8 до 1.8 мм и типичная криогенная мишень прямого облучения, рассчитанная на энергию лазера 10 кДж, изготовленные в ФИАН. Мишень представляетсобой полистироловую микросферу диаметра 980 мкм и содержащую 18 мкг Бг-топлива в виде криогенного сферического слоя толщиной 30 мкм. На Рис.1.2(6) показана схема мишени прямого облучения для 30 килоджоулыюй лазерной установки OMEGA, построенной в Лаборатории Лазерной Энергетики (Университет г.Рочестер, США) [26]. Мишень представляет собой сферическую полистироловую капсулу диаметром 0.92 мм и толщиной 3 мкм, содержащую твердый DT-слой толщиной 100 мкм. В центральной сферической полости мишени находится некоторое количество газообразного топлива (в виде насыщенного пара), причем давление (Р), а, значит, и плотность (р) этого газа однозначно определяется температурой (Т) криогенного слоя. Эмпирическая зависимость имеет вид [104]: где а, Ъ и с - константы, характерные для данного изотопа водорода. Количество газа в центре должно быть достаточным для формирования горячего пятна. В частности, оптимальное количество DT-газа соответствующее плотности 0.3 мг/см [105], достигается при температуре топливного слоя ТОПт 17.9 К, т.е. на 1.8 градуса ниже тройной точки (Ттр=19.7 К для DT и 18.7 К для D2). В общем случае, мишень для прямого сжатия включает несколько сферических слоев, позволяющих оптимизировать процесс имплозии с целью получения максимального энергетического выхода. Например, т.н. мишень «Боднера», изображенная на Рис. 1.2(B), предназначена для получения высокого выхода ( 125 МДж) на установке с KrF лазером при энергии лазера 1.3 МДж [106]. Внешний диаметр мишени составляет 4 мм. Мишень включает несколько слоев, в том числе: слой золота (0.03 мкм толщины), который защищает внутренние части мишени от воздействия излучения стенок камеры реактора; - следующий, полимерный (СН), слой толщиной 1 мкм исполняет роль аблятора в процессе взаимодействия лазерного излучения с веществом мишени; - пористый полимерный слой, насыщенный жидким DT-топливом (толщина слоя 289 мкм); этот слой позволяет замедлить развитие Релэй-Тейлоровских неустойчивостей в процессе абляционного сжатия, а также удерживает в своих порах значительное количество конденсированного топлива; равнотолщинный криогенный DT-слой толщиной 190 мкм; - внутренняя полость (радиус 1500 мкм), содержащая DT-nap. Эксперименты с криогенными мишенями прямого облучения в настоящее время осуществляются, в основном, на 60-ти канальной лазерной установке OMEGA [29,107]. Схема прямого облучения является технически наиболее доступной при осуществлении частотного взаимодействия пары драйвер-мишень в реакторе ИТС. 2.2.Мшиепь для прямого зажигания При стандартном подходе, реализуемом в схеме прямого облучения, сжатие и поджиг топлива - взаимосвязанные процессы. Жесткие требования к симметрии сжатия являются следствием этой взаимосвязи.

Кроме того, образование горячего пятна в центре - гидродинамически нестабильный процесс. Концепция прямого зажигания (или fast ignition, т.е. быстрый поджиг) позволяет проводить процессы сжатия и поджига топлива независимо друг от друга и, таким образом, избавиться от указанных недостатков схемы прямого облучения. После достижения необходимой плотности сжатия топлива с помощью сферической абляции под действием излучения основного лазера, включается дополнительный петаваттный (1015 Вт) лазер. Теоретические расчеты показали, что пороговая энергия для осуществления условия брейкивен {breakeven ) составляет в схеме прямого поджига всего Е-100 кДж [20,21], т.е. на порядок меньше, чем в схеме с прямым облучением. Это позволяет значительно снизить стоимость энергетической станции ЛТС. Параметры горячего пятна при быстром поджиге контролируются внешним источником. Поэтому возникает вероятность поджига чистого Ог-топлива, когда инициация происходит в некоторой области с малым содержанием радиоактивной DT компоненты. Кроме того, требования к симметрии сжатия здесь существенно ниже. Все эти аргументы делают схему прямого поджига весьма привлекательной. Несмотря на то, что идея прямого поджига обсуждается с начала 60-х годов [108], серьезные исследования в этой области начаты сравнительно недавно, с момента появления требуемых для поджига петаваттпых лазеров. Эти исследования в настоящее время ведутся во многих лабораториях мира (см. , например, [109-119]). Однако, не смотря на несколько уже предложенных концепций мишеней для прямого поджига, до сих пор вопрос о том какова должна быть оптимальная геометрия мишени остается / breakeven- условие, при котором количество вложеной энергии равно количеству энергии, выделившейся в результате термоядерного синтеза. открытым. В частности, рассматриваются следующие варианты подведения энергии к области сжатого топлива: 1. Импульс поджига от мощного лазера «буравит» канал в плазменной короне сжатого топлива [109,120]. В канале часть лазерной энергии переходит в энергию релятивистских электронов, движение которых совпадает с направленияем распространения лазерного луча. Электроны переносят энергию импульса через сверхплотную плазму и создают «горячее пятно» для поджига ядра.

Исследование температурной зависимости прочности на разрыв стенки полистироловых микросфер

Низкая прочность полимеров и высокая их проницаемость для изотопов водорода требует специальных мер для того, чтобы газонаполненная оболочка не разрушилась внутренним давлением и газ из нее не вытек еще до начала процесса формирования криогенного слоя. Измерения показали (см.п.2.1), что снижение температуры до 140 К позволяет существенно подавить процесс газопроницаемости. Одновременно, в соответствии с уравнением Ван-дер-Ваальса, при охлаждении микросферы внутри нее происходит изохорическое снижение давления газа. Зная количественные закономерности процессов газопроницаемости и изменения предела прочности стенки микросфер на растяжение, можно определить температуру, ниже которой возможна разгерметизация и допустима транспортировка подготовленного объекта (микросферы с газом) в зону формирования криогенного слоя без механического его разрушения либо утечки газа за счет обратной диффузии. Поскольку, в литературе нет достоверных сведений об изменении предела прочности полистирола на разрыв при низких температурах, мы провели серию экспериментов, в которых была исследована температурная зависимость этого параметра. 2.2.1. Измерение прочности микросфер при температурах 200 К и 300 К. Микросферы для этих измерений изготавливались на установке Гравитационная печь, параметры микросфер определялись методом интерференционного контроля, развитым в ФИАН. Время между изготовлением микросфер и их испытанием на прочность не превышало 2Х-3Х недель. Эксперимент проводился в две стадии. Первая стадия - заполнение оболочки газом, которая описывается уравнением (2.2). Так как процесс заполнения экспоненциальный, будем считать, что заполнение, когда внутреннее давление P(t) составляет 95% от давления снаружи микросферы Ро. Это соотношение наступает, когда t = 4RAR/3KPH. Так как коэффициент газопроницаемости гелия через карбоцепные полимеры, к которым относится полистирол, составляет при 300 К примерно 4-10"7см2/сек атм [202], то оболочка радиуса 200 мкм с толщиной стенки 10 мкм заполняется газом за время 67 мин. Микросфера с известным радиусом R и толщиной стенки AR помещалась в камеру (Рис.2.5). Затем, при комнатной температуре ( 300 К), она диффузионно заполнялась газообразным гелием до необходимого давления. Вторая стадия - быстрое снижение давления газа в камере до 1 атм за время порядка 2-3 сек.

Эта стадия проводилась в двух режимах: при Т=300 К и при Т=200 К. В последнем случае, камера давления охлаждалась в парах жидкого азота, а температура внутри камеры измерялась с помощью термопары медь-константан. Наблюдение за поведением микросферы осуществлялось визуально через микроскоп МБС-2. Если на 2-ой стадии разрушение микросферы не наступало, весь процесс повторялся сначала, причем давление заполнения микросферы повышалось на 1 атм. Эксперимент завершался после того, как наступало разрушение оболочки внутренним давлением Рвн. Точность определения давления разрушения составляла 1 атм. Значения предела прочности полистирола для различных партий микросфер, рассчитанные по формуле (2.4) из экспериментально обнаруженного значения внутреннего давления разрушения, показаны в Таблице 2.2. Из таблицы следует: - Значение прочности на разрыв а увеличивается в 1.5 раза при снижении аспектного отношения от 50 до 22 (Т=300К), что связано с методикой получения полимерных микросфер (вспенивание). Максимальное обнаруженное значение ст составило 150 кг/см2 (при R/AR =50), минимальное - 99 кг/см2 (при R/AR=22- 33) - Значение а для различных партий отличается в 1.4 раза - Прочность стенки возрастает в 1.7 2.2 раза при охлаждении микросферы от ЗООК до 200К. Полезно сравнить эти результаты с данными А.И.Никитенко, полученными в 1998г.[199]. Эксперименты показали несколько больший разброс значений прочности на разрыв полистироловых микросфер при 300 К: от 60 до 270 кг/см2. По-видимому, это связано с тем, что данные микросферы обладали более широким спектром значений аспектного отношения: от 20 до 160, - а также с тем, что они были приготовлены на 2-х различных установках: Гравитационная печь и Баллистическая печь. 2.2.2.Измерение прочности микросфер при температурах 4Н64 К. В экспериментах использовался стандартный оптический гелиевый криостат КГ-14 (производство ИФТТ РАН, г.Черноголовка) с регулируемой температурой. Специально изготовленная вставка в криостат позволяла транспортировать микросферы из мишенного контейнера в оптическую тестовую камеру без разрушения. Общий вид вставки и схема ее размещения внутри криостата показаны на Рис.2.6 (а,б). В исследованиях использовались оболочки из полистирола, изготовленные в установке Баллистическая Печь. Оболочки имели следующие параметры: диаметр 940-993 мкм, толщина стенки 8-15 мкм, давление заполнения 200 - 765 атм Нг при 300 К (соответствующая средняя толщина криослоя составляет от 14 до 88 мкм при 4.2 К).

Внутреннее давление разрушения оболочек и значение прочности рассчитывалось по формуле (2.4) из эксперимента. Массив оболочек, заполненных газообразным водородом, размещался в мишенном контейнере внутри полой цилиндрической вставки в криостат, как это показано на Рис.2.6(6). На этом этапе давление внутри и вне микросфер было одинаковым и могло принимать значения от 100 до 800 атм при 300К. Затем, температура контейнера понижалась от 300 К до температуры 15-20 К, при которой водород находится в состоянии жидкость+пар, причем давление насыщенного пара составляет 95-J-675 тор. Разгерметизация контейнера в этих условиях не могла привести к разрушению микросфер внутренним давлением. После разгерметизации, микросферы, под действием собственной силы тяжести, вылетали из контейнера и поступали в вертикальный цилиндрический канал, охлаждаемый снаружи парами жидкого гелия. Микросферы продвигались вниз по этому каналу, и инжектировались в оптическую тестовую камеру и падали на ее дно. Температура стенок камеры в ходе эксперимента могла изменяться в пределах 4.2V70K. Измерение температуры стенок проводилось с точностью ±0,05 К (диапазон 4,2н-20 К) и ±0,1 К (диапазон 20ч-70 К) с помощью миниатюрного бескорпусного полупроводникового датчика сопротивления, вмонтированного в дно камеры (Рис.2.7). Размер датчика ( 0,5 мм3) был сопоставим с размером микросферы. Внутри камеры и канала находился теплообменный гелий под давлением -30 тор, что позволяло минимизировать градиент температуры на поверхности микросферы в процессе эксперимента. Наблюдения за процессами, происходящими внутри оптической тестовой камеры, осуществлялись с помощью видео-системы МАТРИЦА-430к/12 (производство фирмы ДелыпаТех, научный парк МГУ). В ходе эксперимента видеосистема эксплуатировалась в одном из трех режимов: газ гелии - 30 тор микросфера визуальный контроль качества микросферы с водородом в реальном времени без сохранения информации режим сохранения одиночного кадра в цифровом виде с записью изображения в память персонального компьютера режим сохранения группы кадров с частотой до 10 Гц. Первоначально, температура стенок камеры составляла 4.2-5.5 К (т.е. значительно ниже тройной точки водорода Ттр=13.9К),

Модель образования высокодисперсного криогенного слоя на внутреннй поверхности микросферы при высокой скорости охлаждения

Если толщина криогенного слоя в мишенях составляет несколько микрон, механизм роста топливного слоя можно рассматривать сходным с механизмом роста тонких пленок на подложке. Процесс образования и роста пленки, ее структура и свойства, существенным образом определяются степенью пересыщения пара в системе пар-подложка и характером взаимодействия атомов пара с поверхностью конденсации, т.е. такими параметрами эксперимента как плотность и температура пара, наличие посторонних примесей, материал, микроструктура и температура подложки, состояние ее поверхности. Наиболее употребляемым способом получения тонких пленок является конденсация из паровой фазы. При определенном темпе охлаждении вещества, заключенного внутри микросферы, этот механизм реализуется в том случае, если р Ркр, что соответствует давлению заполнения Р 580 атм (для D2) и Р 500 атм (для Нг). Как видно из Рис. 1.6. это условие выполняется для большого класса термоядерных мишеней, в который входят мишени для реактора, мишени для установки ИСКРА-6, а также значительная область мишеней, предназначенных для демонстрации поджига на установке NIF. Рассмотрим особенности образования и роста тонких пленок на подложке, роль которой, в случае топливной капсулы, играет внутренняя поверхность микросферы. На самой ранней стадии конденсации на подложке образуются трехмерные зародыши жидкой фазы. Образование зародышей начинается с конденсации на поверхности подложки атомов вещества, находящегося в парообразном состоянии. Адсорбированные атомы перемещаются по подложке из одной потенциальной ямы в другую. Интенсивность этого движения определяется собственной кинетической энергией атома, а также процессом термической активации (т.е. температурой подложки). В процессе своего движения по подложке атом взаимодействует с другими адсорбированными атомами, образуя устойчивые комплексы (или кластеры) из нескольких атомов. Дальнейший рост пленок на подложке описывается в рамках термодинамической либо статистической теории роста кластеров до критического размера в зависимости от степени пересыщения пара [263]. Если степень пересыщения достаточно велика, а температура подложки достаточно низкая, атом может сразу перейти в химически адсорбированное состояние, теряя свою подвижность за счет передачи подложке или пленке теплоты конденсации. Такой механизм конденсации пара на изотропной аморфной подложке, при определенных условиях, может привести к образованию аморфных пленок.

При достаточно быстром охлаждении микросферы условия пересыщения газа могут быть столь велики, что процесс образования и роста кластеров начнется не на поверхности подложки, а в объеме микросферы - за счет инициации объемной капельной конденсации. Мы наблюдали данный процесс (для Н2, D2 и их смеси) в опытах по скоростному вымораживанию прозрачного криогенного слоя методом F1F (отвод тепла от всей поверхности), а также при охлаждении микросфер через ограниченное пятно контакта с охлажденной подложкой по методу FST (см. Рис.5.4, Глава 5). Капельная конденсация DT- смеси в объеме микросферы наблюдалась в работе [167]. В процессе капельной конденсации, достигается тонкое диспергирование жидкости в объеме микросферы, а на ее поверхность попадает уже не отдельный атом вещества, а макроскопическая частица из многих атомов. Данные условия позволяют инициировать процесс массовой кристаллизации вещества, который позволяет получить твердый топливный слой в высокодисперсном состоянии. 7. Рекристаллизация прозрачных слоев твердого водорода с различным уровнем дисперсности Как известно, особенности рекристаллизации различны для систем с различным уровнем дисперсности [229-231]. При нагреве мелко-зернистого поликристалла этот процесс происходит беспорогово. Наоборот, для систем типа аморфные или нанокристаллические пленки наблюдается быстрая (лавинообразная) необратимая трансформация в крупнозернистое кристаллическое состояние при нагреве пленки выше некоторой пороговой температуры, меньшей температуры плавления вещества. Эти закономерности подтверждены экспериментально для различных веществ (полупроводники, металлы, сплавы, керамики), которые в равновесном состоянии представляют собой кристаллические вещества. Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что образующийся в условиях скоростного охлаждения прозрачный криогенный слой представляет собой аморфные или нанокристаллические пленки. Поскольку прямого измерения микроструктуры слоя проведено не было, а температурное поведение аморфных и нанокристаллических пленок сходно, на настоящий момент трудно идентифицировать к какому именно типу структур относятся полученные прозрачные слои. В любом случае, можно полагать, что максимальный размер зерен в полученных пленках не превышает 150 А0. Везде далее будем, для определенности, называть это состояние слоя «аморфная пленка». Необходимыми условиями получения такого слоя внутри микросфер является (1) высокий темп охлаждения топливного вещества со скоростью dT/dt 500 К/сек, (2) конечная температура Т Та«(0.43-Ю.56)Ттр, (3) толщина слоя: W 15 мкм. Условия, позволяющие получить топливный слой в состоянии «аморфная пленка» показаны в координатах скорость охлаждения/температура на Рис.3.20. В большинстве случаев, в прозрачной пленке, при ее нагреве до пороговой температуры Та, происходит фазовый переход первого рода из метастабильного аморфного состояния в более устойчивую кристаллическую модификацию. Этот переход сопровождается выделением внутренней теплоты перехода. Для многих веществ эта величина близка к значению половины внутренней теплоты плавления данного вещества [229]. Рассмотрим особенности процесса старения (рекристаллизации) таких пленок в зависимости от различных внешних условий.

В общем случае, скорость кристаллизации определяется (1) скоростью возникновения и роста зародышей и (2) линейной скоростью перемещения фронта кристаллизации в объеме вещества. Первое зависит от внутренних характеристик материала - вязкости, поверхностного натяжения, характера межатомных и межмолекулярных связей и т.п. Второе целиком определяется условиями эксперимента, т.е. темпом отвода тепла, выделяемого при кристаллизации. Следует отметить, что динамика процесса изотермической рекристаллизации слоя позволяет получить определенную информацию о внутренней структуре «аморфных пленок». Так как в литературе подобные данные для изотопов водорода отсутствуют, нами были проведены экспериментальные наблюдения за процессом изотермической рекристаллизации «аморфных пленок» из Hb, D2 и равнопроцентной смеси этих изотопов. Эксперименты проводились в следующем порядке. Прозрачный криослой формировался при температуре 4.2 К методом скоростной переконденсации на стенке микросферы при скорости охлаждения 500 К/сек и выдерживался в изотермических условиях около 40 минут. Никаких процессов кристаллизации слоя при этом не наблюдалось. Затем, микросфера нагревалась до пороговой температуры Та, когда начиналась конверсия прозрачного слоя с образованием крупно-зернистой кристаллической структуры, которая для слоев водорода и дейтерия завершалась за 15-20 сек. Если же температура стабилизировалась ниже Та на 0.5-0.8 К, пленка также начинала кристаллизоваться. В этих условиях процесс кристаллизации завершался за 50-60 мин. Напротив, слабый перегрев слоя на 0.1-0.5 К характеризовался существенным ускорением процесса, так что время конверсии не превышало нескольких секунд. Отметим, что теплоотвод от поверхности микросферы осуществлялся с помощью теплообменного гелия на всех этапах эксперимента. Учитывая нижний порог температуры начала кристаллизации, т.е. уровень стабильности пленки, можно заключить, что конверсия аморфных криослоев изотопов водорода в изотермических условиях заканчивается за времена от десятков секунд до десятков минут. Результаты этих наблюдений позволяют сделать следующие заключения о внутренней структуре изучаемых пленок и возможной скорости распространения фронта кристаллизации внутри криогенной мишени в условиях лазерного эксперимента.

Оценка эффекта разделения жидкой смеси за счет термодиффузии

После того, как жидкий слой сформирован и равномерное распределение добавки по конденсату достигнуто, а также достигнута оптимальная температура входа мишени в канал формирования, наступает этап формирования равнотолщинного высокодисперсного твердого слоя. Подчеркнем важное отличие предлагаемой новой концепции формирования от общепринятых методов, - -layering и IR-redistribution, — которые требуют значительного времени для получения равнотолщинного твердого слоя (5 8 часов). Движущей силой процесса симметризации (или выравнивания) здесь является градиент температуры вдоль поверхности слоя, возникающий при р-излучении ядер трития (метод p-layering) или в процессе поглощения ИК-излучения (метод IR-redistribution), при этом внешняя поверхность микросферы поддерживается изотормической. Большая длительность процесса симметризации, связанная с экспоненциальным снижением градиента температуры на поверхности слоя по мере его выравнивания по толщине, увеличивает вероятность разделения топливной смеси за счет ректификации и термодиффузии. На этот недостаток методов указано, например, в работе [39]. В предлагаемой нами новой концепции формирования, охлаждение микросферы через пятно контакта также может вызвать появление градиента температуры вдоль поверхности слоя. Однако, время формирования слоя здесь гораздо меньше, чем время изотопного разделения под действием градиента температуры. Действительно, характерное время процесса термодиффузии, который приводит к расслоению смеси, можно оценить из соотношения (вывод формулы см. Приложение к Главе 5): где R — внутренний радиус микросферы, AT — максимальная разность температур в слое, Т - средняя температура слоя, Dn « 2.5 10"9 м2/сек - коэффициент самодиффузии изотопа, DT « Dn-102 коэффициент термодиффузии [222]. Предполагая, что пятно контакта фиксированно и АТЛГ 0.1 , получим to«200 сек для микросферы диаметра 1 мм. Эта величина более чем на порядок превышает экспериментально наблюдаемое время формирования твердого криогенного слоя толщиной 100 мкм внутри мишеней диаметра 1 мм (фремя формирования 12 сек). Согласно расчетам [86], для формирования методом FST слоя внутри микросферы реакторного масштаба (толщина слоя 200 мкм, микросфера из полистирола диаметром 4 мм и толщиной 45 мкм) потребуется не более 15 сек.

Таким образом, при симметризации слоя по методу FST, однородное распределение компонентов смеси, достигнутое на стадии капельной конденсации, не нарушается, что и подтверждается экспериментальными наблюдениями. 4. Перспективы дальнейшего развития технологии формирования слоя внутри незакрепленной движущейся микросферы Как было установлено в предыдущих главах (см. Главы 3-5), управляющими параметрами эксперимента при формировании слоя внутри бесподвесной микросферы являются: (1) скорость охлаждения, (2) количество и тип добавки, (3) беспорядочное вращение микроферы, (4) внешнее периодическое воздействие. Нам удалось экспериментально проверить воздействие этих параметров, в широких пределах их изменения и сочетания, на характеристики получаемого слоя. Сравнительные результаты представлены в Таблице 5.3. Как видно из таблицы, сочетание параметров 1+2+3 позволяет получить слой необходимого качества. Это сочетание параметров реализуется при пробросе микросфер со смесью в канале формирования. Действительно, эксперименты показали, что введение добавок (от 0.5% до 20%) к основному компоненту дает на выходе из модуля FST-формирования твердый термостойкий стеклообразный слой (см.Рис.5.9, Рис.4.3 и 4.4). У нас была возможность продемонстрировать данную схему формирования для мишеней диаметром 1.8 мм и для толщин слоя 51 мкм. Таким образом, метод добавок (МД) органично сочетается с методом FST, что позволяет повысить качество получаемого криогенного слоя — т.е. получить равнотолщинный слой в высокодисперсном состоянии с гладкой свободной границей. Причем, достигнутое качество не подвержено изменениям в пределах, по крайней мере, одного нагрева мишени от 5 К до температуры тройной точки основного компонента, что обеспечивает возможность доставки данной мишени в лазерный фокус без разрушения. На основании полученных результатов мы можем сформулировать 3-х этапную схему формирования топливного слоя внутри незакрепленных мишеней: 1. Формирование газообразной фазы: заполнение микросферы необходимым количеством газообразного топлива и соответствующей добавки. Условия для проведения этой операции без разрушения микросфер достаточно подробно исследованы в Главе 2. 2. Формирование жидкой фазы: (а) предохлаждение топлива внутри микросферы с необходимой скоростью теплоотвода, обеспечивающей равномерное распределение добавки по жидкому слою, (б) достижение оптимальной температуры подачи мишени в канал формирования. 3. Формирование твердого слоя: подача микросферы в канал формирования; симметризация и вымораживание слоя на внутренней поверхности движущейся микросферы по методу FST. При вариации частот, микросфера, лежащая на пьезо-пластине, может находиться в различных режимах движения относительно пластины, это - подскок, вращение или смешанное движение. Таким образом, в замкнутом объеме ячейки можно реализовать те же взаимодействия с подложкой, которые происходят в канале формирования.

Температура пьезо-пластины может изменяться в пределах от 300 К до 4.2 К с точностью 0.5-0.1 К, а ее скорость охлаждения в области 40-4.2 К может контролироваться в пределах 10"5 -10 К/сек. Применение ячейки-вибратора позволяет включить в работу одновременно все четыре управляющих параметра, указанных в Таблице 5.3: воздействие вибраций в режиме беспорядочного вращения микросферы, содержащую топливо с определенными добавками и охлаждаемой через пятно контакта между микросферой и охлаждающейся пьезо-пластиной (режим 1+2+3+4). Результаты предварительных исследований с применением этой ячейки, начатых в группе Криогенные мишени в 2003 году, изложены в п.4 Главы 3. К сожалению, в настоящее время мы не располагаем микросферами необходимого диаметра (4-6 мм), чтобы проверить экспериментально действенность этого подхода для мишеней реакторного масштаба. В заключение следует упомянуть, что мишени нового класса, содержащие криогенный слой в состоянии «водородное стекло» или другом высокодисперсном состоянии, могут быть полезны для фундаментальных исследований в области уравнения состояния вещества (УСВ), а также в исследованиях, связанных с созданием металлического водорода с помощью всестороннего сжатия вещества по схеме ИТС. 5. Заключение к Главе 5 В настоящей главе рассмотрен круг вопросов, касающихся создания нового комплексного метода формирования равнотолщинного изотропного гладкого термостойкого слоя топлива внутри незакрепленной микросферы, движущейся в канале с охлажденными стенками. Конецепция основана на совместном применении принципа FST (быстрое охлаждение+беспорядочное вращение микросферы с топливом) и метода добавок (введение опредленных примесей в топливо) для получения твердого слоя в устойчивом высокодисперсном состоянии. Проведенные исследования показали: 1. FST позволяет симметризовать и заморозить слой значительной толщины (от 20 до 90 мкм и более) за время менее 15 сек. Однако, полученный слой находится в крупнозернистом кристаллическом состоянии, т.е. не является гладким и изотропным. 2. Введение 20% примеси неона в дейтерий позволяет сформировать в рамках FST криогенный слой, отвечающий всем требованиям эксперимента на мощных установках ИТС: равнотолщинный гладкий слой толщиной более 20 мкм, который сохраняет свое качество в широком диапазоне температур от 5К до тройной точки изотопа. 3. Показано, что процесс объемной капельной конденсации изотопа водорода в присутствии примеси с более высоким молекулярным весом позволяет получить однородное распределение молекул примеси по объему жидкого слоя, а последующее охлаждение расплава ниже тройной точки изотопа за время менее 200 сек позволяет избежать расслоения смеси в процессе отверждения слоя внутри микросферы.