Тяжелоионные мишени инерциального термоядерного синтеза Баско, Михаил Михайлович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Теоретические и экспериментальные исследования по проблеме управляемо го термоядерного синтеза (УТС) были начаты в 50-х годах в СССР и ряде других стран практически сразу после успешных испытаний термоядерного оружия. На первом этапе все работы были сосредоточены на реализации принципа магнитного удержания разреженной термоядерной плазмы. После изобретения лазеров начало быстро развиваться альтернативное направление УТС, основанное на принципе инерциального удержания плотной плазмы в малых объемах. К настоящему времени оба направления вплотную подошли к осуществлению демонстрационных экспериментов по зажиганию термоядерной реакции в лабораторных условиях. Однако вопрос о том, какое из двух основных направлений УТС приведет к более практичному и дешевому варианту термоядерной электростанции, остается пока открытым.

В настоящее время экспериментальные исследования по инерциально-му термоядерному синтезу (ИТС) проводятся с использованием в качестве драйвера мощных лазеров и ускорителей легких ионов. Наиболее продвинутой является лазерная программа. В то же время, наиболее перспективным кандидатом на роль драйвера для термоядерной электростанции на принципе инерциального удержания представляются ускорители тяжелых ионов, которые удачно сочетают высокие значения к.п.д., f/rf_r> 25%, и высокую частоту повторяемости импульсов. Но поскольку постройка тяжелоионного ускорителя с требуемой интенсивностью пучков сопряжена со значительными материальными затратами, особую актуальность приобретает предварительный теоретический анализ мишеней инерциального тяжелоионно го синтеза (ИТИС), которому посвящена данная диссертация. Для выбора конкретной схемы ускорителя, совокупности накопительных колец и схемы конечной фокусировки ионных пучков важно как можно точнее определить значения таких ключевых параметров драйвера как полная энергия в импульсе облучения, требуемая для зажигания, и энергия ионов в пучке, а также размеры фокального пятна на мишени и временные характеристики ионного импульса. Совокупная оптимизация параметров драйвера и мишени требует разработки адекватных физико-математических моделей для описания как отдельных процессов, так и поведения мишени в целом, а также всестороннего теоретического анализа разных типов тяжелоионных мишеней ИТС.

Цели исследования

Главные цели, преследовавшиеся при выполнении данной работы, состояли в следующем:

разработка теории физических процессов, адекватное описание которых, играет ключевую роль при численном моделировании тяжелоионных мишеней инерциального синтеза;

создание одномерной гидродинамической программы для численного моделирования мишеней ИТИС;

построение и использование аналитических моделей для исследования основных стадий сжатия и зажигания мишеней ИТИС и ИТС;

численное исследование и оптимизация конкретных схем мишеней ИТИС как прямого, так и непрямого действия.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Теоретическая модель кулоновского торможения быстрых ионов в плотной плазме.

2. Широкодиапазонное уравнение состояния, ориентированное на описание термодинамики плотной неидеальной плазмы многозарядных ионов.

3. Диффузионная модель описания переноса энергии быстрыми заряженными продуктами ядерных реакций.

4. Метод приближенной оценки росселандова пробега излучения в плотной плазме.

5. Теория нестационарного гидродинамического к.п.д. при облучении ионными пучками.

6. Автомодельное решение уравнений радиационной гидродинамики, опи
сывающее конверсию энергии ионных пучков в тепловое рентгеновское из
лучение.

7. Анализ паразитного нагрева термоядерного топлива вторичными частицами в мишенях ИТИС.

8. Количественное соотношение между оптимальными режимами искрового и объемного зажигания DT- и 0₂-топлива.

9. Аналитическая модель и скэйлинг для порога искрового зажигания DT-мишеней ИТС.

10. Оптимизированный вариант простой мишени ИТИС прямого действия
с объемным зажиганием DT-топлива, соответствующий наиболее слабым
ограничениям на параметры тяжелоионного драйвера.

I f

11. Оптимизированный вариант мишени ИТИС прямого действия с искро
вым зажиганием DT-топлива и коэффициентом усиления G ~ 400.

12. Схема и анализ тяжелоионной мишени непрямого действия типа
hotraum.

Научная новизна и практическая значимость результатов

Впервые сформулирована единая теоретическая модель, позволяющая вычислять кулоновские пробеги быстрых ионов в плазме с очень широким разбросом термодинамических параметров. Важный оригинальный вклад состоит в разработке процедуры вычисления средней энергии возбуждения связанных электронов TiZj, для которой не существует экспериментальных измерений в плазме многозарядных ионов. Предсказан новый эффект немонотонных вариаций пробега с ростом температуры в плотной плазме тяжелых элементов, которые важно учитывать при конструировании мишеней ИТИС. Разработанная модель была использована при численном моделировании воздействия сильноточных ионных пучков в ОИХФ РАН.

Широкодиапазонное уравнение состояния, разработанное в диссертации, позволяет с минимальными затратами и хорошей точностью рассчитывать термодинамические свойства веществ при практически любых нерелятивистских температурах и плотностях. Его практическая ценность особенно велика при проведении гидродинамических расчетов для плотной неидеальной плазмы в области состояний, где нет надежных экспериментальных данных по термодинамическим свойствам.

Впервые на примере широкого класса аналитических решений проведен детальный анализ и сопоставление приближенных методов описания переноса энергии быстрыми заряженными продуктами ядерных реакций. Показано, что по совокупности рассмотренных тестов на первое место выходит диффузионное приближение — при условии, что коэффициенты диффузии и диссипации вычисляются по адекватным формулам, полученным в данной работе. Разработанный диффузионный метод позволяете высокой эффективностью моделировать распространение ламинарного термоядерного пламени как в мишенях ИТС, так и в недрах звезд в астрофизических условиях.

Одна из основных трудностей при моделировании физических процессов с высокой концентрацией энергии с помощью уравнений радиационной гидродинамики состоит в определении коэффициентов непрозрачности плазмы, и, в частности, средних росселандова и планковского пробегов излучения. Особенно остро эта проблема стоит для плотной неидеальной плазмы, где

даже чрезвычайно громоздкие атомные расчеты методом Хартри-Фока с учетом огромного числа термов обладают ограниченной точносты >. В диссертации впервые предложен приближенный метод оценки росселандова и планковского средних пробегов, основанный на правиле сумм Томаса-Райхе-Куна и ориентированный на плотную плазму тяжелых элементов, где его погрешность, судя по всему, сопоставима с погрешностью расчетов по методу Хартри-Фока.

Аналитические модели для вычисления гидродинамического к.п.д. оболочек, ускоряемых воздействием лазерного или теплового рентгеновского излучения, существенным образом опираются на предположение о стационарности процесса абляции. При облучении ионными пучками, выделяющими свою энергию сразу по всей массе испаряемого вещества, приближение стационарного течения приводит к большим ошибкам. 6 диссертации впервые развита нестационарная теория гидродинамического к.п.д. для оболочек, ускоряемых пучками заряженных частиц. В случае плоских оболочек удается получить достаточно точные аналитические оценки. При повышении интенсивности облучения'значительная доля мощности ионного пучка начинает переизлучаться в виде теплового рентгеновского спектра. Для описания этой стадии найдено новое автомодельное решение упрощенной системы уравнений радиационной гидродинамики. На практике полученное решение позволяет установить адекватные скэйлинги для рентгеновских конвертеров в мишенях ИТИС непрямого действия.

При определении порога термоядерного зажигания по массе и энергии топлива важную роль играют аналитические модели, основанные на анализе возможных состояний топлива вблизи момента зажигания. В диссертации разработана новая аналитическая модель искрового термоядерного зажигания, в которой для профилирования состояний топлива использовано автомодельное решение уравнений гидродинамики для сжимающейся газовой сферы. В рамках новой модели вперше получен правильный скэйлинг Е_ті_п ос o?U^ для порога зажигания по вложенной энергии ,„;,, в зависимости от энтропийного параметра холодного слоя топлива а — P/Pdeg и скорости имплозии U(_m. С учетом ограничений на асимметрию облучения и рэлей-тэйлоровскую неустойчивость новая модель позволяет существенно сократить затраты при разработке конкретных схем мишеней ИТИС непрямого действия.

Впервые выполнена полная оптимизация двух типов мишеней ИТИС прямого действия по параметрам мишени в рамках идеальной сферически-симметричной геометрии облучения и имплозии. Найденные в результате оптимизации требования к параметрам тяжелоиониого драйвера являются

по сути минимально жесткими и могут служить отправной точкой при раз работке более детального проекта тяжелоионной термоядерной установки. Предложен оригинальный вариант тяжелоионной мишени непрямого действия типа hotraum с радиационной полостью, заполненной веществом с низким Z. Для этой мишени не требуется сферическая симметрия облучения ионными пучками и существенно смягчены ограничения на конечный размер фокальных пятен, поскольку облучается все внешнее сечение мишени. Обладая симметричной начальной конфигурацией и не требуя специальной ориентации в камере термоядерного реактора, предложенная мишень может сыграть роль важной альтернативы при проектировании тяжелоионной термоядерной установки.

Апробация работы

Основные результаты диссертации неоднократно докладывались и обсуждались

на ежегодной Всесоюзной звенигородской конференции по физике плазмы и УТС в 1981-1995 г.г.;

на расширенных рабочих совещаниях по проблеме ИТИС в ИТЭФ в 1985-1995 г.г.;

— на международных рабочих группах по физике высоких плотностей
энергии в веществе в Хиршегге (Австрия) в 1989, 1991, 1992 г.г.;

на Международном симпозиуме по тяжелоионному инерциальному синтезу в 1990 г. (Монтерей, США) и 1993 г. (Фраскати, Италия);

на Европейской конференции по перспективам тяжелоионного инерци-ального синтеза в 1992 г. (о. Крит, Греция);

на 20-й Европейской конференции по УТС и физике плазмы в 1993 г. (Лиссабон, Португалия);

на третьей международной рабочей группе по теории непрозрачности в 1994 г. (Гархинг, Германия);

на международной школе по физике интенсивных ионных пучков и мишеней в 1995 г. (Лез-Уш, Франция);

на научных семинарах в ИТЭФ (Москва), ФИАН (Москва), ИВТАН (Москва), MPQ (Гархинг, Германия), GSI (Дармштадт, Герма'ния), Центре ядерных исследований EIMEA (Фраскати, Италия).

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 22 работах, цитируемых в конце автореферата.

Вклад автора в совместных работах

Работы [1] и [б] выполнены по инициативе и под руководством автора, включая постановку задачи и вывод основных уравнений. В работе [8] автору принадлежит постановка и решение вариационной задачи в случае, когда к варьируемому неизвестному коэффициенту поглощения kj„(t') прибавляется известное слагаемое k)_f(t') + k_s, а также вывод реальной оценки россе-ландова пробега в плотной плазме /«.,/,,. В работе [15] на долю автора при_: ходятся все результаты по оптимизированной DT мишени ПРОМ-20-6-360, а также все результаты по сферическим DD и DHe'¹ мишеням, полученные в рамках двухзонной модели (общий вклад около 20%). Автору принадлежат все результаты по сферическим DT и D> мишеням, изложенные в [16] (общий вклад около 60%). Работа [20] была инициирована и в основном выполнена автором; Майер-тер-Вену принадлежат расчеты прохождения радиационной волны через hotraum по программе MULT! со спектральной диффузией излучения, а также общий обзор качественной картины имплозии. В работе [22] вклад автора относится только к разделу, посвященному мишени типа hotraum, и составляет около 20%!

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, двенадцати глав, разделенных на три части, Заключения, Приложения и списка цитированной литературы. Полный объем диссертации составляет 248 стр., в том числе 55 рисунков и 25 таблиц. Список литературы насчитывает 188 наименований.