Исследование процессов конденсации изотопов водорода в лазерных мишенях и разработка устройств для бесконтактной доставки криогенных мишеней в фокус оптической системы лазерной термоядерной установки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

российская аклдемйя наук

физический институт им. п. н. дебедьа

РГ6 од

На правах рукописи

* (ГШ 1994 ^^

УДК. 621.039.633

ОСИПОВ ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА В ЛАЗЕРНЫХ МИШЕНЯХ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОЙ ДОСТАВКИ КРИОГЕННЫХ МИШЕНЕИ В ФОКУС ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ С ЕЛ>30КД*.

__-01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ _

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

МОСКВА 1994.

Айтуапвноств раббти;'

Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС-позволит получить безопасный и практически неисчерпаемый источник энергии. Термоядерная реакция становится ¡энергетически выгодной при выполнении критерия Яоусена, пг>10*4с/смэ для 0+1 реакции (где п-конечная плотность топлива, г-время удержания). Одно из наиболее развитых направлений в УТС Лазерный Термоядерный синтез (ЛТС), 3 отлячиии от магнитного удержания плазмы Сп-Ю^см"^, г—1сек) в ЛТС время удержания составляет т ~ 10 -10 , сек., что требует достижения значительных конечных плотностей топлива. Эта проблема решается взаимной оптимизацией параметров мишени и драйвера.

Более 15 лет назад была предложена конструкция мишени, в которой топливо сферически-симметрично сконденсировано на внутренней поверхности микросферы (криоыишень). Последующие теоретические исследования доказали преимущество такой мишени по сравнению с газонаполненной. Однако, использование криомииеней в лазерных экспериментах не дало ожидаемого увеличения нейтронного выхода и конечной плотности топлива, показав всю нетривиальность практического применения такой мишени в экспериментах ЛТС.

Очередной этап развития экспериментальных исследований в

области Лазерного синтеза характерен переходом на установки с

«

большей энергией лазерного излучения £л=30КДж-1МДж, при использовании криогенных мишеней, содержащих большую массу топлива, ш>2,85мкг., с толщинами криослоев Ы>10мкм.

Для реализации эксперимента ЛТС необходимо не только сформировать криослой нужного качества, но и сохранить его параметры до момента облучения, т.е. осуществить взаимный выбор

методики формирования твердых криослоев изотопов водорода с

\

такими параметрами.

Все перечисленные проблемы требуьт экспериментального и теоретического исследования физики поведения изотопов водорода внутри термоядерных мишеней.

Вопрос о способе доставки криомишени также не решен на сегодняшний день, т.к. общепринятый способ контактного позиционирования мишени Сна нити подвеса) буиественно ограничивает возможности применения криомишеней с различной структурой топливного слоя а не обеспечивает, сохранение параметров криослоя до прихода лазерного излучения на установках с Ел^30КДж. Инжекционньгй способ доставки лишен этих недостатков.

Конечной задачей в проблеме ЛТС является создание импульсного термоядерного реактора. 0 этом случае единственно возможным способом обеспечения реактора термоядерным топливом является частотный С-10Гц) и скоростной ("300м/сек) бесконтактный ввод мишеней. И хотя создание действующих станций можно ожидать не раньше, чем в XXI столетии, первые шаги по разработке таких систем ввода необходимы уже сегодня в силу сложности задачи (точность позиционирования мишени составляет 5-10% от ее диаметра, мощность теплопритоков к криомишени в лазерной камере порядка 58-60ВТ/сы^ и т.д.).

Т. о. последовательное экспериментальное и теоретическое изучение физики процессов, происходящих в термоядерных мишенях, на всех этапах работы с ними позволяет определить оптимальные режимы формирования, условия доставки и разработать устройства бесконтактного ввода криомишени в фокус оптической системы.

позиционирования мишени на установках ЛТС. . '" :

Практическая значимость.

^ Разработана методики о<5еспечения высокоэнерг^тячных лазерных установок термоядерными мишенями лобой из перечясявяиых конструкций С с газообразным, твердым или хиаккм слота топлива). - 2.Физачес:;ий анализ процессов, происходявдх я мишенях » щюцессе гас подготовки к формированию криослоя, позволил ■ разработать конструкцию устройств« формирования гаэаваполнеяныя пояясглроловых мишеней высокого давления заполнения (Р51500ат«.) для установок с Е^ЗОКДж.

3. На основе проведениях расчетных и экспериментальных исследований создан комплекс аппаратурных ж програшвшх средств, ойеспечивалящй бесконтактный, частотный, (либо однократный!) , ввод сферических тераоядерных мишеней в <5окус оптическойсистемы установки ЛТС.

Апробация работы:

Основные результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах Нейтронно-Физического отдела 4ЙАН и .докладывались на 4 ВсесоБЗНой конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, Ленинград (1988}, Европейской конференция но взаимодействию лазерного излучения с веществом - ЕШН, Прага (1988), Варшава (1981), Международной совещании по физике криогенных шшедеей и разработке систем их доставки, Рочестер США (1992), Рабочем совещании ИЛ-Ш. Ливермор, США (1993).

рассмотрены существующее на сегодняшний день способы формирования и позиционирования криомишеней в фокусе оптической системы. Проанализированы условия применения криогенных мишеней на установках с £лгЗОКДж.

Во второй главе рассмотрены вопросы конденсации изотопов водорода в сферических лазерных мишенях. Проанализировано образование твердого* криослоя в процессе конденсации через жидкую фазу и минуя жидкое состояние (десублимация). На основе анализа зависимости структуры криотоплива от условий формирования, определены режимы получения криомишеней с заданной структурой в условиях вакуума. Приведены результаты экспериментальных исследований процесса конденсации изотопов водорода на внутренней, поверхности микросферы при пробросе ее через вертикальный охлаждаемый вакуумный канал. Экспериментально доказана возможность получения указанным методом квазиаморфных и поликристаллических слоев Hg и Dg о толщинами до Юмкм. Проведены расчетно-теоретические и экспериментальные оценки зависимости структуры криослоя от условий его формирования.

В третьей главе представлены результаты научных исследований и конструкторские разработки автономной системы бесконтактного ввода лазерных термоядерных мишеней в фокус оптической системы установки JTC е £л>30КДж. На базе проведенного анализа методов бесконтактной доставки макрочастиц предложены оптимальные спосооы инжекцин лазерных мишеней, в том числе и криогенных. Разработаны схемы обеспечения установок с £л230КДж качественными криомишенями, обеспечивающие непрерывный, частотный /1-10Гц/ процесс загрузки - формирования - инжекции -

1. Экспериментально доказана возможность создания квазиаморфных слоэв И*, и Сд с толщинами до Юмкм. при проб росе газонаполненной шкросфери через вертикальный. охлазда^мый, вакуумный канал.

2.Разработана методика частотного, скоростного формирования кваэиаморфных криогенных мишеней для систем бесконтактного ввода топлива в фокус оптической системы лазерной термоядерной установки с Е^ЗОКДк.

3. Предложена методика комплексного расчета времени жизни криогенной мишени с твердым слоем топлива в условиях лазерного эксперимента.. Сравнение результатов расчета с полученными автором экспериментальными данными и данными известными йэ литературы показало, что указанная методика может применяться для оценки времени жизни, криомишени с левой структурой твердого конденсированного топлива.

4. Рассмотрены физические условия применения криогенных мишеней в установках с Ел^30КДж. Показано, что методы формирования криосяоя, известные в настоящее время непригодны при использовании контактного способа доставки криоыишеней с массой топлива т>2,85мкг.

5.Разработан полный комплекс аппаратуры для реализации бесконтактного режима доставки криомишеней в экспериментальные устанобки ДТС. Характеристики систем электромагнитного и гравитационного ввода, полученные в результате тестовых испытаний (скорость инжекции 0,5-8м/с, точность ввода Змрад) подтверждают возможность использования этих систем в высокоэяергетичных установках ЛТС.

0.Впервые рассмотрен весь комплекс вопросов, связанных с формированием, доставкой и синхронным облучением криогенного

6. Г.Д.Баранов, Е. Р.. Корешева, В. И. Листратов и лр "Устройство для инжекции криогенных топливных елементов и термоядерный реактор". А/С N158643?, 1990

7 E.R.Koresheva, A. I.Nikitenko, I.E.Osipov, S. М. Tolokonnikcv "The laser cryotarget formation and it's delivery methods developed in tebedev Inst". Proc. Conf. ECLIM-21, 1991. 227-229,

8 .E.R.Koresheva, I.E.Osipov. "The cryotarget delivery system

for ICF" Preprint FIAN N75, 1991 9, E.R.Koresheva, A. I.Nikitenko, I.E.Osipov, et.ai. "The complex gravity injection system for ICF". Preprint FIAK N76, 1991 E.R.Koresheva, A. I.Nikitenko, I.E.Osipov, et.al. "The complex gravity injection system for ICF". Proc. Conf. ECLIM-21, 1991, 230-231.

10 £. P. Корешева, И.Е.Осипов. "Лазерная термоядерная установка" А/С N1752105, 1992.

11. А. А. Акунец, Н. Г. Борисенко, В. С. Бушуев, И. Е. Осипов и др. "Технология лазерных мишеней в Физическом институте им. П.Н.Лебедева. " Труды ФИАН, N220, 1992 , 3-27.

N. G. Borisenko, V. S. Bushuev, А. 1. Gromov, 1. Е. 0sipov,et. al. "Laser target technology in P. N. Lebedev Physical Institute". Loc, Conf. ECLIM-21. 1991, 224-226.

12. E. P. Корешева, Ю. А. Меркульев, А. И. Никитенко, И. E. Осипов, С. М. Толоконншсов. "Автономные комплексные устройства приготовления и инжекции криогенных мишеней в ЗкжуСэ мойного лазера." Труды ФИАН, N220, 1992, 61-88.