Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза

Корешева, Елена Ростиславовна

Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Корешева, Елена Ростиславовна АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза»

Автореферат диссертации на тему "Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н. ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи УДК 621.039.633

КОРЕШЕВА ЕЛЕНА РОСТИСЛАВОВНА

КРИОГЕННЫЕ МИШЕНИ ДЛЯ ИНЕРЦИАЛЬНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА-2005

Работа выполнена в Физическом институте им.П.Н.Лебедева РАН

Консультанты - доктор физико-математических наук

Ю.А.Меркульев

доктор химических наук, профессор Л.С.Ягужинский

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор, М.И. Пергамент доктор физико-математических наук, А.Г.Молчанов член-корреспондент РАН, ГШЛашинин

Ведущая организация - Институт Ядерного Синтеза РНЦ

«Курчатовский институт»

Защита состоится «_» _2005 г. в_часов в Конференц

зале на заседании диссертационного совета........Д002.023.03......Физического

института имХШЛебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН

Автореферат разослан «_&_2005 года

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор физ.-мат. наук

А.СЛШКАНОВ

гооб~4__

<1460

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Более полувека тому назад перед учеными была поставлена задача использования для практических целей энергии термоядерного синтеза, которая выделяется при слиянии легких ядер: дейтерия (О) и трития (Т), Б и Ь, Б и 3Не и пр.

Два основных подхода к решению поставленной задачи, магнитный термоядерный синтез (МТС) и инер|диальный 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 п]юблем, 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 нглравлении [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 БТ-топливом до термоядерных температур, применяется специальный драйвер: лазер, источник ионных пучков, г-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 -¡-10 см" (100-И ООО г/см 3) [И], что определяется критерием Лоусона для БТ-смеси: пх>10м сек/см3, где т-Ю^-ИО"11 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 БТ-топлива. Однако, как видно из Рис.1, конструкции мишеней для каждой из перечисленных схем имеют общий элемент - сферическую капсулу, содержащую БТ-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 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), покрывающий 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) (б) (в)

Рис.1. Топливные мишени для трех концепций облучения: (а) прямое облучение, (б) непрямое или рентгеновское облучение, (в) прямой пода/сиг

ВнугренннШ рщаус оболочка, 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 20102015 гг. на строящихся установках с энергией лазера от 0.3 МДж (ИСКРА-6, Россия) до 1.8 МДж (NIF, США и LMJ, Франция) [5,23,24], а также на установке FIREX (Япония), предназначенной для демонстрации термоядерного горения в схеме прямого поджига [4]. 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+1000 г/см3) необходимо всего около 7.5-S-35.0 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 (Ьг) 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

*/ Значение энергии, необходимой для сжатия холодной (Ферми-вырожденной) ОТ-смеси до плотностей р ~ 100-1000 г/см2, можно оценить из соотношения Е«=0.35арад, где а представляет собой степень вырождения холодного топлива.

внутри мишени достигает 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 БТ-смеси и —0.17 атм у Б2 (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 С1ШЦ Японии и России.

Необходимость непрерывной подачи мишеней в зону термоядерного горения с частотой ~ 1+10 Гц (лазерный и ионный драйвер) или 0.1 Гц (Х-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 радиоанстивной ОТ-смеси, в соответствии с правилами радиационной безопасности, все подсистемы реактора должны функционировать в условиях с минимальным расходом трития.

К сожалению, из всех фундаментачьных вопросов, касающихся энергии термоядерного синтеза, массовое производство топливных мишеней менее всего изучено и экспериментально 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. Депо в том, что традиционные методы изготовления термоядерных мишеней с толстым слоем из твердого дейтерия или ОТ-смеси (толщиной 20-150 мкм) связаны с получением этих веществ в термодинамически равновесном кристаллическом состоянии. Для достижения такого состояния (с Т]зебуемым качеством поверхности) необходимо очень медленное охла;кдение микросферы, заполненной изотопом водорода, в изотермическом внешнем температурном поле.

Несмотря на высокое качество с поя, 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 Не3 при p-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 инже!сгора [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:

1. Разработка и реализация технологии массового производства незакрепленных мишеней, содержащих криогенный слой требуемого качества

2. Сохранение параметров криогенного слоя в процессе доставки мишени

3. Доставка мишеней в зону горения с требуемой частотой

4. Быстрый контроль параметров мишени

5. Контроль и управление траекторией движения мишени

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

A.И.Никитенко, С.М.Толоконников, ЕЛКошелев, к.ф.м.н. Т.П.Тимашева, к.ф.м.н. АЛ.Громов, В.И.Щербаков, В.М.Дороготовцев, А.ААкунец,

B.Ф.Троицкий и др.), ФГУП «Красная Звезда» (к.т.н. Г.Д.Баранов, к.т.н. И.Д.Тимофеев, В.И.Листратов, Г.С.Усачев и др.), МГУ (проф. А.АБелолипецкий, проф. Л.С.Ягужинский, к.ф.м.н. В.СЛарбузин, Е.А.Писарницкая, А.А.Тоньшин и др.), СПбГПУ (проф£.ВЛСутеев, к.ф.м.н. Г.В.Капралов), ГНЦ РФ ВНИИНМ им.А.А.Бочвара (к.ф.м.н. НЛРязанцева, 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. ЮА.Меркульева и при участии коллектива Лаборатории Термоядерных Мишеней, ФИАН [64].

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) <1<0.1 мкм, среди которых, в соответствии с обзорной работой [65], мы выделяем три основные подвида: (1) мелкозернистые поликристаллические (150 <!<0.1 мкм), (2) нано-кристаллические (50 А<с1<150 А) и (3) аморфные (<1<30-50 А) состояния.

Цель работы. Формулировка и экспериментальное обоснование нового подхода к получению криогенных лазерных мишеней с устойчивым слоем из твердых изотопов водорода, а также разработка 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:

1. 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.

2. 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).

4. Исследован круг вопросов, связанных с задачей непрерывной доставки термоядерных мишеней в зону облучения (горения), в том числе:

- исследован процесс ускорена) капсулы-носителя мишени в электромагнитном инжекторе 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.

Научная новизна. Впервые осуществлено комплексное изучение проблемы пополнения топливом зош термоядерного горения мощной установки ИТС либо реактора. В диссертации получены следующие оригинальные результаты:

■ Разработана методология интерпретации структурного состояния слоя на основе твердых изотопов водорода исходя из анализа температурной эволюции слоя.

■ Найдены условия, способствующие образованию устойчивого высокодисперсного криогенного слоя внутри замкнутой микросферы, которые включают применение оптимального режима охлаждения микросферы с изотопом водорода в присутствии добавок из более высокоплавких изотопов.

■ Для мишеней, двигающихся внутри трубчатого канала с охлажденными стенками, найдены условия, способствующие образованию сферически-симметричного криогенного слоя толщиной более 20 мкм, которые включают беспорядочное вращение движущейся микросферы и ее охлаждение через пятно контакта со стенкой канала.

■ Экспериментально показано, что сочетание оптимальных условий симметризации с условиями диспергирования в присутствии примесей более высокоплавких изотопов водорода, позволяет сформировать гладкий равнотолщинный слой, устойчивый в широких температурных пределах (от 5К до тройной точки топлива), т.е. спой с долгоживущими характеристиками качества, что позволяет решить проблему доставки криогенных мишеней в зону облучения без разрушения.

■ Впервые экспериментально исследована зависимость коэффициента газопроницаемости для ЕЪ и прочности на разрыв стенки микросфер из полистирола при криогенных температурах. Эти результаты позволили определить температурную область, в которой возможно осуществить хранение, разгерметизацию и транспортировку газонаполненной микросферы без разрушения.

■ Получены оригинальные результаты экспериментальных и теоретических исследований, доказавшие возможность и перспективность применения при криогенных температурах электромагнитного способа ускорения

капсулы-носителя мишени с целью последующей инжекции топливных мишеней в камеру реактора или установки ИГС.

• Разработана новая технология непрерывного формирования криогенных топливных мишеней и их доставки в камеру реактора либо мощной установки ИТС. Данная технология положена в основу конкретного технического решения устройства непрерывного формирования-доставки незакрепленных топливных мишеней.

Научная и практическая значимость работы

1. Коэффициенты газопроницаемости дейтерия и водорода через стенку полистироловой микросферы, а также значения прочности стенки на разрыв, измеренные экспериментально при температурах ниже 300 К дополнили имеющуюся в научной литературе базу данных о свойствах полистирола новыми, ранее неизвестными данными.

2. Создан уникальный комплекс ла(5ораторного оборудования, позволяющий проводить сравнительные исследования свойств твердых водородов с различной микроструктурой, полученной внутри микросферы за счет вариации условий эксперимента в широких пределах, в том числе:

- плотность газообразного изотопа водорода внутри микросферы, нормированная к критической плотности изотопа (давление заполнения): -4.5-10"2 +1.5 (30+1000 атм )

- темп охлаждения: ~ 10'5+2- Ю3 К/сек

- добавки (изотопы водорода, неон и другие газы): 0.2*50% (объемных)

- частота внешних механических воздействий: 0.3 Гц +3 МГц

3. Мишени нового класса, содержащие криогенный слой в состоянии «водородное стекло» или другом 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, в Японии на установке ОЕККО-ХП. В настоящее время обсуждается возможность проведения совместных 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 ОЕККО-ХП.

4. Метод формирования криог енного слоя внутри движущихся незакрепленных микросфер, развитый в диссертации, положен в основу проектной конструкции устройства формирования и доставки криогенных мишеней в фокус установки ИСКРА-6 [66]. Кроме того, данный метод с 2002 г. изучается в программе реакторных технологий США [67]

5. Оригинальные технические решения стыковки модуля формирования и инжектора, а также устройства частотной сборки ансамблей капсула/мишень, впервые представленные на международной конференции в Киото в 2001 г. [68], сейчас используются в концепции фабрики реакторных мишеней, предложенной в Японии [69]. Эти решения также положены в основу конструкции устройства сборки цилиндрических криогенных мишеней для плазменных экспериментов ЬАР1А8, которое предполагается создать при участии специалистов ФИАН, ФГУП «Красная Звезда» (г.Москва) и СПбПТУ (г.Санкг-Петербург) в рамках проекта ШП^еНОВ [8, стр.63].

Автор защищает следующие основные результаты своей работы

1. Впервые создано и исследовано устойчивое высокодисперсное состояние твердых изотопов водорода. Найдены условия получения прозрачного криогенного слоя из твердых изотопов водорода в устойчивом высокодисперсном состоянии, которое не ре кристаллизуется при нескольких циклах нагрева-охлаждения в диапазоне от 5 К до тройной точки изотопа.

2. Разработан оригинальный способ формирования устойчивого твердого слоя из изотопов водорода внутри незакрепленных микросфер, движущихся в вакуумном канале с охлажденными стенками, который сочетает условия симметризации слоя и условия его получения в устойчивом изотропном высокодисперсном состоянии.

3. В незакрепленных микросферах получен прозрачный сферически-симметричный гладкий твердый криогенный слой из изотопов водорода, отличающийся устойчивость к циклической термообработке в пределах от 5 К до тройной точки изотопа, что позволяет осуществлять доставку криогенных мишеней в зону лазерного облучения без разрушения.

4. Создание оригинального комплекса устройств, обеспечивающего непрерывный процесс формирования криогенных мишеней, их инжекцию и контроль в реальном времени скорости и траектории инжектированных мишеней, обеспечивающий ввод мишеней в зону облучения синхронно с излучением лазера. Экспериментальное получение характеристик работы отдельных элементов комплекса, включая модуль формирования, системы электромагнитного и гравитационного ввода мишеней, а также систему диагностики скорости и траектории инжектированной мишени.

:>. При криогенных температурах впервые экспериментально продемонстрировано эффективное ускорение ферромагнитной капсулы-носителя мишени в электромагнитном поле соленоида.

6. Результаты численных расчетов по оптимизации материала капсулы-носителя мишени, показавшие, что капсула из магнитодиэлектрика с

коэффициентом заполнения феррочастичами 60-70% может быть ускорена в электромагнитном инжекторе наиболее эффективно. 7. На основании полученных теоретических и экспериментальны?: результатов разработана новая технология непрерывного формировании криогенных мишеней с равнотолщинным гладким твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых на1рузок, возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зон}' лазерного облучения.

Таким образом, достигнута основная цель диссертации: созданы криогенные мишени с устойчивым слоем топлива, что обеспечивает их доставку без разрушения в зону лазерного облучения; создана научная и технологическая база для построения установки для непрерывного формирования данных мишеней и их инжекционной доставки без разрушения в фокус мощной лазерной термоядерной установки или демонстрационного прототипа реактора.

Достоверность результатов подтверждается хорошим согласием с теоретическими оценками и существующими данными, воспроизводимостью полученных данных, использованием независимых методов исследования, авторскими свидетельствами и патентом на изобретения.

Личный вклад автора.

Автору принадлежит инициатива перехода на новый уровень технологии незакрепленных криогенных мишеней с устойчивым сферически-симметричным гладким твердым слоем топлива, что позволит использовал, такие мишени в экспериментах на мощных лазерных установках и демонстрационном прототипе реактора ИТС.

Автором разработана методология интерпретации структурного состояния прозрачного криогенного слоя на основе твердых изотопов водорода исход» из анализа его температурной эволюции, что позволяет качественно определить следующие состояния: (1) мелкозернистое состояние, (2| состояние типа «аморфная пленка» или нанокристаллическое, (3) стекло. Автору принадлежит формулировка направлений исследований, постановка целей и задач, вошедших в диссертацию.

Автор непосредственно принимал участие в исследованиях на всех этапах работы, в систематизации и интерпретации результатов.

Апрорбация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на семинарах Нейтронно-Физического Отдела ФИАН, а также на 29-ти научных конференциях и совещаниях:

- Российская конференция по Физике Плазмы и Проблемам УТС (Звенигород: 1987,1988,1995, 2002 и 2003 гг.)

- 18-я, 21-я, 25-я, 26-я, 27-я и 28-я Европейская конференция по Взаимодействию Лазерного Излучения с Веществом (Чехословакия 1987

г.; Польша 1991 г.; Италия 1998 г.; Чехия 2000 г.; Москва, Россия 2002 г., Италия, 2004 г.)

- 1-я, 2-я и 3-я Международная конференция по Физике и Применению Термоядерного Синтеза (Франция, 1999 г.; Япония, 2001 г., США, 2003 г.)

• Совещание Технического Комитета МАГАТЭ «Драйверы для ИТС» (Франция, 1994 г.)

- 1-е, 2-е и 3-е Совещание Технического Комитета МАГАТЭ «Физика и Технология Реакторных Мишеней и Камер» (Испания, 2000 г.; США, 2002 г.; Юж.Корея, 2004 г.)

- 1-е, 2-е, 3-е и 4-е Совещание координационного научного проекта МАГАТЭ «Элементы Конструкции Энергетической Станции ИТС» (Австрия 2001 и 2003 гг.; США, 2002 ¡г.; Юж.Корея, 2004 г.)

- 10-е, 11-« и 13-е Совещание Специалистов по Технологии Мишеней (США, 1995,1996 и 1999 гг.)

- Двустороннее Российско-Американское Совещание по Проблемам Технологии Криогенных Мишеней (США, Рочестер, 1992 г.) .

- Двустороннее Российско-Французское Совещание по Технологии Криогенных Мишеней (Франция, Лимейль, 1994 г.)

- Рабочее совещание с коллабораторами проекта МНТЦ №512 (США, Ливермор, Корпорация Шафер 1997 г.)

- Международное Совещание по Технологии Микросфер-Микробаллонов и Лазерных Мишеней (Россия, Москва, 1997 г.)

- 30-я конференция Европейского Физического Общества по Проблемам УТС и Физике Плазмы (Россия, Сани-Петербург, 2003 г.)

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 55-ти публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения (общие выводы по работе). Общий объем диссертации 247 страницы, в том числе 116 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 296 наименований на 23 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

В этом разделе диссертации обосновывается актуальность проблемы формирования внутри мишеней твердого криогенного слоя с долгоживущими характеристиками качества, а также необходимость создания новой технологии непрерывного формирования и доставки мишеней, основанной на работе с незакрепленными движущимися мишенями при криогенных температурах. Сформулированы цели работы. Показана научная и практическая значимость работы. Кратко изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПРОБЛЕМ ИТС В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ И ДОСТАВКИ ТОПЛИВНЫХ МИШЕНЕЙ

Идея управляемого термоядерного синтеза с инерциальным удержанием (инерциальный термоядерный синтез, ИТС), основана на возможности нагрева малых объемов вещества за короткое время до термоядерных температур. Однако, для практической реализации этой идеи топливо необходимо сжать до высоких плотностей.

В настоящее время рассматриваются три возможных схемы облучения термоядерной мишени светом лазера: прямое облучение, прямое зажигание (или быстрый поджиг) и непрямое (или рентгеновское) облучение (Рис.1). Структура и параметры мишени существенно зависят от энергии излучения (Рис.2), а также от схемы взаимодействия пары лазер-мишень, в результате которой достигается высокая плотность сжатия и нагрев топлива. Однако, конструкции мишеней для каждой из перечисленных схем имеют один общий элемент (см. Рис.1) - сферическая капсула с БТ-смесью, - который в схеме прямого облучения и представляет собой собственно мишень.

Для того, чтобы взаимодействие лазер-мишень дало необходимый эффект, термоядерное горючее (или топливо) внутри мишени должно сжиматься с высокой скоростью и при минимальной энтропии. Поэтому, основная масса топлива в мишени для прямого облучения находится в конденсированном состоянии, образуя однородный сферический криогенный слой. Материал капсулы (обычно пластик) играет роль аблятора. 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 , 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 сферических капсул (микросфер), их заполнения газообразным Иг или ОТ-топливом и формирования криогенного слоя. В Лаборатории Термоядерных Мишеней (ЛТМ) Нейтронно-Физического отдела ФИАН, эти разработки ведутся под руководством д.ф.м.н. ЮАМеркульева начиная с 1974 года. В настоящее время в ЛТМ проводится широкий спектр исследований в области технологии микросфер-микробаллонов, изготовления пористых полимерных сред и микрооболочек, создания кластерных мишеней для исследований микрогетерогенной плазмы, развиваются компьютерные технологии, включая разработку методов получения микросфер, автоматизацию оптико-физических измерений, моделирование оптических явлений и т.д. Исследования в области способов формирования криогенного слоя и доставки криогенных мишеней ведутся в группе Криогенных Мишеней ЛТМ начиная с 1978 г. (с 1984 под руководством автора).

Основным препятствием для получения максимальной плотности сжатия оболочечной мишени является развитие гидродинамических неустойчивостей, появляющихся на этапах сжатия и торможения оболочки. Причинами их развития являются (а) неравномерность интенсивности и ассимметрия лазерного излучения и (б) возмущения формы мишени, в том числе шероховатость свободной поверхности и разнотолщинность слоев, составляющих мишень. При реализации способа прямого облучения, требования к качеству составляющих мишень компонентов наиболее жестки (по сравнению с другими схемами облучения). В частности, параметры криогенного слоя в момент облучения мишени должны удовлетворять следующим критериям качества: разнотолщинность, не более 2% от радиуса, шероховатость свободной поверхности не более 0.1 мкм, температура на -1.5-1.8° ниже тройной точки топлива.

Получение криогенного слоя, удовлетворяющего данным критериям качества, является одной из сложнейших задач технологии мишеней хотя бы потому, что требует функционирования элементов мишенной системы при криогенных температурах. Однако, самой главной сложностью работы с криогенным топливом является его высокая чувствительность к изменению внешних условий, что может привести к потере качества слоя (т.е. появлению разнотолщинности и шероховатости слоя сверх допустимого уровня) при доставке и позиционировании мишени в зоне облучения. Поэтому, либо (а) криогенный слой в мишени должен обладать устойчивостью к вариации внешних условий, либо (б) надо проводить формирование слоя непосредственно перед моментом облучения мишени, заранее размещенной на специальном держателе в оптическом фокусе лазерной термоядерной установки. Последнее представляет собой общепринятый подход при проведении лазерных экспериментов начиная с 1977 г. и по настоящее время.

Современный период в развитии идеи ИТС характеризуется переходом к программе построения энергетической станции, работа которой требует подачи топлива в зону облучения с частотой 0.1-10 Гц. В этом контексте стадия инжекционной доставки мишени в зону облучения становится неизбежной, а задача создания устойчивого криогенного слоя не имеет какой-либо другой альтернативы.

Указанная задача является актуальной прежде всего потому, что в мировой практике отсутствует опыт работы с бесподвесными мишенями. Вместе с тем, создание перспективной технологии реакторных мишеней требует навыков работы с массивом бесподвесных мишеней в условиях минимизации расхода трития, что достигается за счет минимизации протранственных и временных масштабов каждой операции.

Традиционные методы формирования криогенного слоя значительной толщины не удовлетворяют ни одному из перечисленных требований, поскольку они имеют следующие особенности: длительное время формирования слоя (5-24 час), ограниченная температурная область существования (0.3-1.5° вблизи тройной точки), работа с единичной мишенью, укрепленной на специальном держателе, что исключает как возможность массового производства, так и инжекцию мишени.

Альтернативой к традиционному подходу служит метод РБТ, который развивается в ФИАН начиная с 1989 г. Метод впервые был продемонстрирован на стеклянных микросферах диаметром 0.4-9-0.6 мм и криогенных слоях толщиной 1+6 мкм из Нг, 1)2 и их смеси. Поскольку в основу метода положен принцип работы с движущимися незакрепленными мишенями, БвТ позволяет непрерывно (частотно) формировать криогенные мишени. Таким образом, основное требование реакторной технологиии выполняется.

Для того, чтобы данный метод стал привлекательным для применения в системах с мощным драйвером и в реакторах, необходимо доказать, что в рамках подхода ЮТ можно достичь симметризации и вымораживания долгоживущего толстого слоя топлива с достаточно гладкой поверхностью, что и является основной задачей настоящей диссертации.

Оригинальный подход, развитый в диссертации для решения этой задачи, заключается в получении криогенного слоя в особом, высокодисперсном, состоянии с размером зерна 4 меньшим, чем допустимая шероховатость свободной поверхности слоя (<1<0Л мкм).

В работе осуществляется экспериментальный поиск условий, позволяющих получить термостойкий сферически-симметричный высокодисперсный слой на основе твердых изотопов водорода.

Исследуются процессы газопроницаемости и разрушения полимерных микросфер при температурах ниже 300 К, с целью оптимизации процессов

заполнения микросфер топливным газом и их транспортировки без разрушения в область формирования слоя.

Исследуются закономерности уско!>ения капсулы из магнито-активного материала в электоромагнитном поле соленоида при криогенных температурах. Изучаются способы контроля скорости и траектории летящей мишени.

Полученные результаты позволили, в последней части диссертации, сформулировать физическую концепцию новой технологии формирования криогенных мишеней и их инжекционной доставки в зону облучения синхронно с приходом туда лазерного излгучения.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МИКРОСФЕР ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ НИЖЕ 300 К

В Главе 2 определены условия и созданы средства для подготовки объекта исследования к этапу формирования твердого криогенного слоя. Стадия подготовки включает (I) приготовление требуемой газообразной смеси и заполнение ею микросфер и (2) транспортировка и разгерметизация заполненных микросфер в области формирования слоя.

Оболочка мишени для прямого облучения представляет собой микросферу из полистирола или другого полимера. Низкая прочность полимеров и высокая их проницаемое!т> для изотопов водорода требует специальных мер для того, чтобы газонаполненная микросфера не разрушилась внутренним давлением и газ из нее не вытек еще до начала процесса формирования криогенного слоя. Поскольку, в литературе нет достоверных сведений об изменении газопроницаемости и прочности полистирола на разрыв при низких температурах, мы провели экспериментальные исследования зависимости этих параметров от температуры.

Методом интерференционного контроля впервые исследована температурная зависимость коэффициента газопроницаемости (для ДО стенки микросфер из полистирола. Этим методом получены также значения газопроницаемости стенки для N2, Аг, Хе при 300 К. Полученные результаты представлены в Таблице 1. Найдено, что при охлаждении микросферы от 300

Таблица 1. Коэффициент газопроницаемости микросфер из полистирола

Газ н2 (расчет) Е>2 (эксперимент) ЦТ (расчет) N2 (эксп.) Аг (эксп.) Хе (эксп.)

Т,К 300 216 300 216 140 .'»00 216 300 300 300

К, Ю-9 см2/с атм 99-139 2.9-6 71-99 2.1-4.3 -0.01 __1 00 <4 «о 1.9-3.8 10-18 п г? 2 8.0-9.4

до 140 К газопроницаемость стенки для изотопов водорода снижается на -4 порядка, так что при Т<140 К обратная диффузия газа из микросферы пренебрежимо мала. Например, оболочка диаметром 1 мм с толщиной стенок 30 мкм при 140 К теряет треть содержащегося внутри нее газа за время ~107сек, т.е. примерно за ~4 месяца.

Методом разрушающего контроля исследована температурная зависимость прочности на разрыв стенок микросфер из полистирола при температурах 200-300К и 4К64К. Найдено, что при охлаждении от 300 до 60 К прочность микросферы увеличивается в 4.540 раз (от 99-450 кг/см2 до 670+990 кг/см2).

Полученные данные позволили определить верхнюю границу температурной области, в которой возможна разгерметизация и транспортировка в зону формирования криогенного слоя заполненной микросферы без разрушения ее стенки внутренним давлением газа. В частности, для микросферы из полистирола с аспектным отношением Я/ДЯ=20 и значением прочности на разрыв 400 кг/см2, верхняя граница температуры разгерметизации составляет:

- 42 К при давлении заполнения <1210 атм (здесь и ниже давление указано для Т=300К)

- 47 К при давлении заполнения <580 атм

- 55 К при давлении заполнения <360 атм

6 мм

(а) Микросфера на держателе

(б) Массив незакрепленных микросфер

(в) Схема и общий вид мишенного контейнера

Рис. 3. Мишенный контейнер: два подхода к размещению микросфер в камере заполнения Микросфера на держателе (а) занимает столько же места, сколько занимает массив из 15 незакрепленных чикросфер (б) Диаметр микросфер 1 мм Объем паразитного газа составляет для случая (а) ~80%, для случая (б,в) - не более 30%

Найденные значения температуры превышают критическую температуру любого изотопа водорода. Это означает, что формирование слоя можно проводить при различных исходных состояниях топлива внутри микросферы (без угрозы ее разрушения): как при однофазном газообразном состоянии, так и при двухфазном состоянии жидкость-газ.

Заполнение микросфер газом проводилось методом диффузии через стенку при температурах, когда газопроницаемость стенки достаточно высока. Температура заполнения стеклянных микросфер соответствовала 350-400°С, полистироловых микросфер - 300 К. Заполнение микросфер осуществлялось на двух установках, созданных в группе Криогенных Мишеней. Установка заполнения полистироловых микросфер позволяла получить внутри них давление газа от 30 до 1000 атм при 300 К в режиме с постоянным градиентом давления (ДР=сопз0, установка заполнения стеклянных микросфер обеспечивала давление газа внутри них от 30 до 200 атм. Режим заполнения рассчитывался с учетом экспериментальных данных для коэффициента газопроницаемости, прочности и внешнего давления разрушения, так, чтобы в процессе заполнения микросфера не была разрушена. Процесс заполнения проводился одновременно для большого массива микросфер, размещенных в специальном контейнере (Рис.3).

Этот подход, впервые продемонстрированный в настоящей работе, является необходимым шагом в освоении реакторных технологий, поскольку он позволяет (1) работать с массивом незакрепленных микросфер и (б) существенно сократить временные и пространственные характеристики процесса заполнения по сравнению с общепринятым подходом (мишень, укрепленная на держателе).

В конце главы дано описание способов получения бинарных и тройных смесей типа ОгЛ^е, IVН2 и Бг/НБ/Нг 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.

3. ФОРМИРОВАНИЕ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО СЛОЯ ИЗ ТВЕРДЫХ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА ВНУТРИ ЗАМКНУТОЙ МИКРОСФЕР&1

Задачей настоящего исследования являлось обнаружение условий формирования криогенного слоя в высокодисперсном состоянии. Именно в этом состоянии слой является изотропным, его свободная граница имеет минимальный уровень шероховатости, а механическая прочность -максимальна.

Сравнительный анализ научной литературы позволил выявить три основных фактора воздействия на вещество, позволяющих управлять его микроструктурой, а именно: скорость охлаждения, наличие и тип добавки, внешнее периодическое воздействие. Заметим, что перечисленные факторы воздействия изучены только при формировании высокодисперсных образцов в открытых системах.

Для реализации воздействия данных факторов на вещество (изотопы водорода), находящееся в замкнутой системе, каковой является полая микросфера, была создана установка, которая, вместе с системой заполнения микросфер, позволяет варьировать параметры эксперимента в широких пределах, в том числе:

■ плотность газа внутри микросферы, нормированная к критической плотности (соответствующее давле-ние заполнения дано в скобках): ~ 0.044+1.49 (30+1000 атм )

■ темп охлаждения: 10"5+2103 К/сек

■ добавки (изотопы водорода или неон): 0.2+50% (по объему)

■ частота внешних механических воздействий: 03 Гц +3 МГц Формирование криогенного слоя внутри замкнутой микросферы

осуществлялось на экспериментальной установке, созданной в ФИАН. Конструкция криостата позволяла изменять температуру шахты с находящимся в ней теплообменным гелием со скоростью 0.1-10 К/сек в диапазоне температур 4.2+40 К или поддерживать температуру постоянной в районе размещения мишени с точностью ±0.01 К (в диапазоне температур от 4.2. до 35 К). Вертикальный градиент температуры в области оптического наблюдения составлял 0.1-0.3 К/см

Получение криогенного слоя проводилось двумя независимыми способами, в которых скорость охлаждения вещества внутри микросферы достигала более 500 К/сек:

1. По методу ИР: скоростная переконденсация слоя на внутренней изотермической поверхности микросферы, укрепленной на держателе в ванне с теплообменным гелием

(теплоотвод от всей внешней поверхности микросферы). Метод впервые был продемонстрирован Дж.Миллером (США) в 1978 г., позже метод был развит в работах ФИАН (Е.Р.Корешева 1984) и РФЯЦ-ВНИИЭФ (Ю Л.Дерюгин, В.М.Изгородин и др. 1995)

2. По методу РБТ: вымораживание криогенного слоя на внутренней поверхности незакрепленной микросферы, движущейся в вакуумном трубчатом канале с охлажденными стенками (теплоотвод через пятно контакта). Явление образования прозрачного твердого слоя из изотопов водорода при пробросе микросфер в канале с охлажденными стенками

впервые было обнаружено И.Е.Осиповым (при участии автора) в 1989 г. Теоретические основы метода РБТ разработаны И.В.Александровой и др. Для исследования воздействия внешнего периодического поля на криогенный слой в процессе его формирования использовался специальный вибратор (пьеэо-пластина), который размещался внутри тестовой камеры криостата. Принцип действия вибратора основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте. В зависимости от параметров входного сигнала (частота, амплитуда) микросфера, находящаяся на пьезо-пластине, могла совершать вращение, подскок или смешанное движение. Частота вибраций пьезо-пластины могла варьироваться в пределах 0.3 Гц-3 МГц. Температура пьезо-пластины могла изменяться в пределах от 4.2 К до 40 К со скоростью от 0.01 К/сек до 50 К/сек, либо сохранять заданную температуру с точностью 0.01 К. Микросферы, содержащие изотопы водорода в конденсированном состоянии, вводились в камеру с вибратором через вертикальный трубчатый канал. Данное устройство позволяло исследовать:

(а) влияние вибраций на процесс кристаллизации слоя,

(б) одновременное воздействие вибраций и скорости охлаждения на структуру слоя,

(в) устойчивость полученного слоя к различным тестовым воздействиям на мишень и пр.

Наблюдение за эволюцией слоя при отжиге или нагреве осуществлялось с помощью системы оптической диагностики, пространственное разрешение которой составляло 2.5 мкм, временное - 40 мсек.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить:

- Периодическое механическое воздействие на микросферу (вибрации), также как и темп охлаждения позволяют управлять дисперсностью структуры формируемого твердого криослоя.

- Конфигурация дисперсного слоя зависит от режима движения микросферы относительно вибрирующей подложки (постоянная или беспорядочная ось вращения). Однородное распределение слоя по по-верхности микросферы достигается только при беспорядочном вращении.

- В отсутствие вибраций, высокий темп охлаждения со скоростью <1Т/Л > 500 К/сек позволяет сформировать внутри микросферы прозрачный слой на основе твердых изотопов водорода (и других веществ), условия устойчивого существования которого следующие:

■ Т< ^=(0.43-0.56)^

■ толщина №<15 мкм

При нагреве выше пороговой температуры Та прозрачный слой необратимо трансформируется в крупнозернистое кристаллическое состояние (Рис.4).

Такая температурная эволюция слоя характерна для веществ, находящихся в состоянии «аморфная пленка» (<5<30-50 А) либо нанодис-персное((1<150 А) .

В Таблице 2 приведены экспериментально обнаруженные значения пороговой температуры Та для различных веществ. Поскольку прямого измерения микроструктуры слоя проведено не было, а температурное поведение

аморфных и нанодисперсных пленок сходно, на настоящий момент мы не можем 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 А.

Таблица 2. Верхняя граница температуры Т„ существования прозрачного слоя, полученного по _методу скоростной переконденсации_

Материал Ттр,К Т., К ТУТтр

Слой Микросфера

п-Н2 Стекло 13.9 6.0±1.0 0.43

п-Э2 Стекло 18.65 9.0±1.0 0.48

Н2/ЕЬ 50/50 Стекло 15.8+16.4 8 0±0.8 0.490.51

Ые Стекло 24.54 12.0±0.4 0.49

К2 Лавсан 63.15 32.0±2.0 0.51

Аг Лавсан 83.81 38.0±2 0 0.45

Рис 4 Рекристаллизация прозрачного слоя водорода при нагреве выше 5 К

4. «ВОДОРОДНЫЕ СТЕКЛА». ОБРАЗОВАНИЕ ТЕРМОСТОЙКОГО ТВЕРДОГО ПРОЗРАЧНОГО СЛОЯ ИЗ СМЕСЕЙ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА

Вещества в состоянии «аморфная пленка» обладают такой же гладкой поверхностью, как и жидкость, что выгодно отличает их от поликристаллических структур с крупным зерном. Тем не менее, данный

класс высокодисперсных состояний не пригоден для использования в термоядерных мишенях, поскольку он

■ не существует вблизи тройной точки Т-ф топлива

■ не может быть получен при толщинах слоя, требуемых в современном лазерном эксперименте и реакторе (не менее 20 мкм)

В Главе 4 сделана попытка расширить температурный диапазон и допустимую толщину устойчивого существования аморфного состояния криогенного слоя.

Известно, что введение в вещество опеределенных добавок позволяет, с одной строны, повысить уровень дисперсности слоя, а с другой - затормозить процесс роста кристаллических зерен, т.е. повысить устойчивость высокодисперсной структуры к нагреву. В литературе имеются указания на связь между влиянием легирующих элементов на температуру рекристаллизации и другими параметрами, - например, температурой плавления легирующей добавки, атомным радиусом примеси или её валентностью.

Хотя прямые сведения о возможности получения высокодисперсного (в том числе аморфного) водорода отсутствуют, можно ожидать, что основные закономерности формирования и стабилизации такого класса структур, известные для других веществ, сохранятся и в этом случае.

В связи с этим был проведен цикл экспериментальных исследований влияния различных добавок на температурную устойчивость прозрачного слоя из водорода и дейтерия, находящегося внутри замкнутой микросферы. Высокодисперсный прозрачный слой формировался методом РвТ. В качестве примесей были использованы либо изотоп водорода с другой тройной точкой, либо неон.

Результаты экспериментов подтвердили, 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)Т,р до Т^ (Рис.5). Кроме того, присутствие примеси снижает требуемую скорость охлаждения вещества внутри микросферы от с1Т/<Ло500 К/сек (чистые изотопы) до <ЛУсН> 10-50 К/сек

IL А

5.2 К 10 К 13.5 К 20 К

Рис.5. Прозрачный криогенный слой из смеси H^HD(0.5%) не кристаллизуется при первом нагреве от 5 К до тройной точки водрода (Т= 13.96 К) и

(изотоп + примесь), а также позволяет увеличить допустимую толщину прозрачного слоя от 3-10 мкм до 50-100 мкм (более толстые слои не иследовали).

Необходимые условия образования устойчивого прозрачного слоя, обнаруженные экспериментально:

■ Температура плавления приме-си должна быть выше темпе-ратуры плавления основного компонента. При этом, более высокоплавкие примеси из Ие обеспечивают большую термо-сгойкость прозрачного слоя, чем менее высокоплавкие примеси из НО.

■ Наибольшей термостабильности слоя соответствует оптимальное количество примеси. На Рис.6 показана зависимость термостабильности слоя от соотношения концентрации компонентов смеси Е^/Нг.

■ При формировании слоя теплоотвод должен осуществляться через ограниченную область контакта между микросферой и подложкой в условиях вакуумной камеры.

■ Процессу формирования слоя должен сопутствовать эффект капельной конденсации в объеме микросферы.

Результаты экспериментальных исследований эволюции прозрачного криогенного слоя при воздействии циклических тепловых нагрузок позволили прийти к следующему заключению:

1. Состояние криогенного слоя (относительно устойчивая прозрачная модификация), полученного при средней скорости вымораживании изотопа водорода в присутствии более высокоплавкой примеси, по-видимому, представляет собой нестабильное стеклообразное состояние, которое, в процессе изотермического отжига либо медленного циклического отогрева-охлаждения, претерпевает структурную релаксацию в состояние метасгабильного стекла

2. Тип и количество примеси определяет высоту энергетического барьера между метастабильным стеклообразным и стабильным кристаллическим состояниями, т.е.устойчивость прозрачного слоя к тепловому воздействию.

По аналогии с термином «металлические стекла», будем в дальнейшем называть состояние твердых изотопов водорода, обладающих перечислен-

Концентрация 1>2, %

Рис.6. Тепловая устойчивость слоя в зависимости от концентрации в смеси йуНз

ными выше свойствами, термином «водородные стекла». Заметим, что указанное состояние твердых водородов получено впервые.

5. КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД ФОРМИРОВАНИЯ СФЕРИЧЕСКИ -СИММЕТРИЧНОГО ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО СЛОЯ ТОЛЩИНОЙ >20 мкм ВНУТРИ ДВИЖУЩИХСЯ НЕЗАКРЕПЛЕННЫХ МИКРОСФЕР

В настоящей главе рассмотрен круг1 вопросов, касающихся создания нового комплексного метода формирования равнотолщинного изотропного гладкого термостойкого слоя топлива внутри незакрепленной микросферы, движущейся в канале с охлажденными стенками. Концепция основана на совместном применении принципа FST (быстрое охлаждение+беспорядочное вращение микросферы с топливом) и метода добавок (введение примесей в топливо).

Сделаем насколько пояснений касательно метода FST. В любом из известных к настоящему времени методов формирования криогенных мишеней теплоотвод осуществляется одновременно от всей поверхности микросферы с помощью теплообменного гелия. Отличительной особенностью метода FST является то, что процесс теплоотвода осуществляется через ограниченную область контакта между микросферой и холодной стенкой канала формирования. Поскольку микросфера движется - катится по поверхности канала, - область контакта непрерывно передвигается по внешней поверхности микросферы, чго приводит к равномерному вымерзанию вещества на ее внутренней стенке. Беспорядочное вращение микросферы в поле сил гравитации является дополнительным фактором симметризации слоя, пока он находится в жидком состоянии. Таким образом, формирование слоя топлива на внутренней поверхности мишени достигается за счет двух процессов:

1. Охлаждение топлива вследствие отвода тепла через область контакта мишени со стенкой канала;

2. Симметризация слоя вследствие непрерывного и беспорядочного вращения мишени.

Важно подчеркнуть, что процесс формирования слоя происходит в условиях, когда внутренние объемы модуля формирования (МФ) находятся, как правило, под вакуумом (разрежением).

Проведенные исследования показали: I. Экспериментально обнаружено, что такие параметры, как температура входа мишени в канал формирования (ТД профиль температуры на стенках канала, его геометрия (длина и форма), а также давление газообразного гелия внутри канала, оказывают влияние на результаты формирования. Оптимальное сочетание этих параметров позволяет методом FST симметризовать и заморозить слой значительной толщины

Рис. 7. Полистироловые микросферы (0~1 мм) с криогенным Нг-споем (-90 ( мкм) инжектированные из канала формирования в тестовую камеру.

(от 20 до 100 мкм и боле«:) за время менее 15 сек (Рис.7). Однако, полученный слой находится в крупно-зернистом кристаллическом состоянии, т.е. не является гладким. 2. Введение 20% примеси неона в дейтерий позволяет сформировать в рамках РвТ криогенный слой, отвечающий всем требованиям эксперимента на мощных установках ИТС: равнотолщинный гладкий слой толщиной более 20 мкм, который сохраняет свое качество в широком интервале температур от 5К до тройной точки изотопа. Пример такого слоя показан на Рис.8.

Таким образом, впервые продемонстрировано, что сочетание таких параметров как быстрое охлаждение, беспорядочное вращение и наличие определенных добавок позволяет получить высокодисперсный равнотолшинный толстый слой Б?-топлива внутри незакрепленных движущихся микросфер. Данный подход перспективен для формирования слоя из РТ-смеси, в которой количество трития составляет 20% и менее, поскольку тритий играет в такой смеси роль высокоплавкой добавки по отношению к дейтерию. Подход также пригоден * для получения равнотолщинного

высокодисперсного слоя с однородным распределением компонент эквимолярной 1 топливной ЭТ-смеси (26%В2/26%Т2/48%ОТ).

Практическое применение нового подхода в технологии 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

Рис.8. Результаты совместного применения метода и метода добавок (толщина криогенного слоя 50 мкм).

Микросфера из полистирола (1 5 мм в диаметре, внешнее покрытие 20& ?\ЛЧ) заполнена смесью 80%0./20%Ыс до 275 атм (при 300 К)

слоя, - и обеспечить эксперименты на мощных лазерных установках мишенями с устойчивыми параметрами качества.

Основным ограничением метода при реализации предложенной выше схемы для реакторных мишеней является тот факт, что требуемое время формирования растет с повышением массы топлива в мишени, а симметризация и вымораживание слоя должны произойти за время, меньшее чем время движения мишени внутри канала (менее 15 сек). В настоящее время изучается возможность применения вместо канала формирования нового устройства (т.н. ячейки-вибратора), которое позволит снять ограничение по времени формирования. Применение ячейки-вибратора позволяет включить в работу одновременно все четыре управляющих параметра, контролирующих конфигурацию и структуру слоя, а именно: воздействие вибраций в режиме беспорядочного вращения микросферы, содержащую топливо с определенными добавками, при теплоотводе через пятно контакта между микросферой и о>лаждающейся пьезо-пластиной.

6. МЕХАНИЗМ ТЕПЛОВОГО РАЗРУШЕНИЯ КРИОГЕННОГО СЛОЯ

Внешними источниками теплового разрушения криогенного слоя в процессе доставки мишени являются:

1. Теплоприток на мишень: излучение горячих стенок камеры, теплоприток от остаточного газа

2. Ассимметрия теплопритока на поверхность мишени, которая возникает при ее инжекции в камеру реактора (или установки ИТС), а также в процессе ее полета внутри камеры, содержащей горячий остаточный газ

3. Анизотропия теплопроводности кристаллов изотопов водорода, формирующих твердый криогенный слой.

В настоящем разделе исследуются закономерности процесса нарастания разнотолщинности и шероховатости криогенного слоя, возникающего из-за неоднородности температуры на поверхности слоя.

Эффект миграции твердого топлива при наличии градиента температуры связан с общей тенденцией всякой системы к переходу в состояние равновесия с минимальной энергией. Причиной переноса вещества, заключенного в замкнутую неизс термическую оболочку, является закономерное уменьшение давления его насыщенных паров при понижении температуры. Поэтому, если под влиянием внешних условий вдоль свободной поверхности криогенного слоя появляется разность температуры, то возникает поток молекул насыщенного пара, направленный в наименее нагретую область. Избыток пара над менее нагретой поверхностью конденсируется, а его недостаток над более нш-ретой поверхностью восполняется за счет испарения.

Величина нескомпенсированного потока молекул, возникающего в данном процессе переноса, подчиняется уравнению Герца- Кнудсена:

<Щ<1иК) = С(Р-Р,;)/(2яткТ)1/2 С1)

где Р и Ре равновесное и реальное давление пара в системе, т - масса

молекулы, к - постоянная Болыдоана, С - коэфициент испарения

(конденсации), учитывающий неидеальность процесса.

В приближении идеального газа (число Кнудсена Кп > 0.01) из (2)-(3)

легко получить соотношение для времени образования разнотолщинности

слоя X: -,--

( _ 0.52 ХрУ Тр

С,Р(с-ЬЛ'о2Х^)

(2)

где X = (WmaX-Wm¡n)/(Wmax+Wnlin), и W.rtf максимальная и минимальная толщина слоя, соответственно, р - плотность конденсата при температуре То, с и Ь - константы, 1Ц=к/т, АТ - максимальная разность температуры на внутренней поверхности слоя, То- средняя температура слоя, причем АТ«Т0.

Заметим, что выражение (2) позволяет определить лишь нижнюю границу времени нарастания разнотолщинности неизотермичного криогенного слоя топлива, поскольку оно получено в предположении, что число Кнудсена Кп>0.01. В случае вязкого течения газа (Кп<0.01), которое возникает, в зависимости от размеров паровой полости, при температурах Т > 12-15 К (для 1>2-слоя) и при Т > 9-12 К (для Нг-слоя), процесс переноса молекул будет тормозиться за счет' диффузионного сопротивления парогазовой среды. Поэтому, темп нарастания разнотолщинности неизотермичного слоя в этой области будет несколько снижен по сравнению с оценками по формуле (2).

В Таблице 3 приведены Таблица 3. Результаты расчётов характер-

результаты расчетов характер- "ого времени образования разнотолщинности

ного времени образования 2% 2% <Т,) и л°*а№НОЙ «'однородности 0.1 мкм . , (т-.) «ишшш Накаи

разнотолщинности и 0.1 мкм локальной неоднородности для различных ДТ вдоль поверхности слоя в мишени реакторного масштаба в сравнении с временем нагрева (0 мишени от 5 К до тройной точки ЕЬ (18.67 К) при полете внутри камеры реактора. Параметры мишени: диаметр оболочки из полистирола 4 мм, толщина стенки оболочки 45 мкм, толщина ЕЬ-слоя 200 мкм. В расчете полагалось, что

То, К ДТ,К г,, мсек г,, мсек ^ мсек

5 0.1 210'° 2.5 10"

18 0.01 44 5.5 101 48

18 0.1 4.4 5.5 10*

18 1 0.44 5.5 10'

мишень находится под воздействием только теплового излучения стенок камеры реактора, причем тепловой поток на мишень составляет 12 Вт/см2.

Как следует из Таблицы 3, возникновение локальных неоднородностей является значительно более серьезной проблемой порчи криогенного слоя, чем его искажение по толщине. Другой вывод из проведенных расчетов: для сохранения качества криогенной мишени в процессе ее доставки неоднородность температуры на свободной поверхности слоя должна быть минимальной.

Заметим, что даже при симметричном теплопритоке на внешнюю поверхность мишени существует вероятность образования неоднородности температур вдоль поверхности криогенного слоя в процессе нагрева мишени. Дело в том, что в кристаллических диэлектриках, к которым относятся изотопы водорода в равновесном твердом состоянии, основную роль в механизме теплопереноса играет передача энергии связанных колебаний узлов кристаллической решетки. Согласно теории Дебая, коэффициент решеточной теплопроводности (X) прямо пропорционален значению скорости (у) распространения упругих волн (скорости звука) в кристалле:

Х- (1/3)суА (3)

где с - теплоемкость единицы объема Еещества, Л - средняя длина свободного пробега фононов.

В кристаллических водородах распространение звука по образцу обладает существенной анизотропией. Например, скорость продольного звука в монокристалле п-Нг (75% орто-компоненты) составляет 2230 м/сек в направлении главной кристаллографической оси, а минимальное значение скорости (-1840 м/сек) соответствует случаю, когда звук распространяется под углом -50° к оси. Таким образом, различие в скорости звука достигает 19%.

Исследования показали, что, анизотропия в скорости распространения звука приводит к появлению неоднородности температуры на поверхности слоя в процессе нагрева мишени, что, в свою очередь, вызывает перенос массы в наименее нагретую область и связанное с этим процессом появление шероховатости слоя сверх допустимой норм» за время менее 1 мсек.

Полученные результаты позволяют заключить, что

- важнейшим условием сохранения качества криогенной мишени в процессе ее доставки в зону облучения является минимизация неоднородности температуры на свободной поверхности слоя

- чтобы свести к минимуму скорость роста возмущений слоя (шероховатость, разнотолщинность) необходимо, чтобы твердой криогенный слой находился полностью в изотропном состоянии

- отличительные особенности «водородного стекла» позволяют определить его как новый тип твердого топлива, который позволяет кардинально решить

проблему доставки криогенных мишеней в зону термоядерного горения без разрушения.

7. НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ МИШЕНЕЙ И ИХ ДОСТАВКИ

Предложенный и экспериментально продемонстрированный в настоящей диссертации способ симметризации толстого криогенного слоя внутри движущихся незакрепленных микросфер (метод Р8Т) может служить основой технологии непрерывного производства и транспортировки криогенных мишеней реакторного масштаба. В настоящее время модуль формирования обеспечивает частоту производства мишеней 0.1 Гц при работе в ручном режиме управления.

Формирование слоя методом РБТ осуществляется в условиях высокого разрежения во внутренних объемах модуля формирования (МФ), а процесс транспортировки между элементами МФ осуществляется с помощью инжекции бесподвесных мишеней под действием гравитации. Это важные достоинства метода, которые обеспечивают возможность простого и надежного технического решения для интеграции МФ с электромагнитным инжектором.

К настоящему моменту, общепризнанным является тот факт, что процесс ускорения мишени в инжекторе должен предваряться ее сборкой в единый ансамбль со специальной капсулой-носителем, которая передает импульс движения на мишень во время ускорения. В качестве дополнительного средства защиты мишени от перегрева в процессе инжекции нами в 2001 г. впервые предложено применение так называемой защитной крышки из отвержденного дейтерия или ксенона, которая инжектируется вместе с мишенью в камеру реактора.

Экспериментально впервые продемонстрировано, что магнито-мягкое железо эффективно взаимодействует с электромагнитным полем соленоида при криогенных температурах: при 77 К скорость капсулы на выходе из соленоида достигала, в среднем, 4.0±0.1 м/сек при параметре 1\у=600 А-вит (здесь I- амплитуда тока, проходящего через соленоид, лу- число витков соленоида) и 8.0±0.2 м/с при 1300 А-вит. При Т= 4.2 К скорость капсулы составила 4.5±0.1 м/с при 1000 А-вит. В этих экспериментах использовался соленоид длиной 10 мм, диаметром 3 мм, с числом витков 1000, капсула из железа АРМКО длиной 10 мм и внешним диаметром 2.6 мм. Эти результаты доказали возможность применения электромагнитного инжектора для ускорения ансамбля капсула/мишень при криогенных температурах и в условиях вакуума внутри направляющей трубки.

Полученные результаты позволили предложить простое техническое решение для интеграции модуля формирования, работающего на основе метода РвТ, и электромагнитного инжектора.

Создана физическая модель ускорения капсулы-носителя мишени в магнитном поле соленоида. Получено выражение для осевой проекции силы, действующей на цилиндрическую капсулу со стороны магнитного поля

где ц - относительная магнитная проницаемость материала, из которого выполнена капсула, Ао и А] параметры, зависящие от взаимного расположения и геометрических размеров капсулы и соленоида.

Расчеты, проведенные на основании созданной модели, показали, что при коэффициенте заполнения феррочастиц Р=0.6-0.8 взаимодействие магнито-диэлектрика с электромагнитным полем соленоида происходит более эффективно, чем сплошного ферромагнетика.

Создана и экспериментально испытана система контроля параметров движения инжектированной мишени внутри экспериментальной камеры. Система позволяет определять скорость полета мишени в любой заданной точке камеры, определять отклонение траектории полета от заданного и производить облучение только тех мишеней, которые летят с требуемой ХУ-точностью.

На основании полученных результатов предложена физическая концепция новой технологии формирования и доставки криогенных лазерных мишеней прямого облучения в камеру реактора »ли мощной установки ИТС. Базовые положения предлагаемой технологии:

- Работа с массивом незакрепленных мишеней на каждом этапе

- Минимизация временных и пространственных масштабов каждой

- Непрерывное (либо однократное) формирование внутри движущихся незакрепленных микросфер твердого криогенного слоя, устойчивого в необходимом диапазоне температур

- Применение капсулы-носителя мишени, выполненной из магнито-диэлектрика и передающей импульс движения на мишень в процессе ускорения в инжекторе

- Осуществление непрерывной (либо однократной) сборки ансамблей капсула/мишень и их ввода в инжектор в частотном либо однократном режимах

соленоида:

(4)

операции

- Применение электромагнитного способа ускорения ансамблей капсула/ мишень при криогенных темпергггурах с целью последующей инжекции мишеней в камеру в частотном либо в однократном режимах

- Контроль скорости и траектории инжектированной мишени с целью синхронизации прихода в зону облучения мишени и излучения драйвера.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ (ЗАКЛЮЧЕНИЕ)

1. Впервые создано и исследовано устойчивое высокодисперсное состояние твердых изотопов водорода. Найдены условия получения прозрачного криогенного слоя из твердых изотопов водорода в устойчивом высокодисперсном состоянии, которое не ре кристаллизуется при нескольких циклах нагрева-охлахдения в диапазоне от 5 К до тройной точки изотопа.

3. В незакрепленных микросферах получен прозрачный сферически-симметричный гладкий твердый криогенный слой из изотопов водорода, отличающийся устойчивость к щлслической термообработке в пределах от 5 К до тройной точки изотопа, что позволяет осуществлять доставку криогенных мишеней в зону лазерного облучения без разрушения.

5. При криогенных температурах впервые экспериментально продемонстрировано эффективно« ускорение ферромагнитной капсулы-носителя мишени в электромагнитном поле соленоида.

6. Результаты численных расчетов по оптимизации материала капсулы-носителя мишени, показавшие, что капсула из магнитодиэлектрика с коэффициентом заполнения феррочастичами 60-70% может быть ускорена в электромагнитном инжекторе наиболее эффективно.

7. На основании полученных теоретических и экспериментальных результатов разработана новая технология непрерывного формирования криогенных мишеней с равнотолшданым гладким твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых нагрузок,

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I 33

БИБЛИОТЕКА 1 С Петербург { ? 09 МО кт ^

возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зону лазерного облучения.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. А.И.Исаков, Е.Р.Корешева, Ю.А.Меркульев и др. Интерференционные Измерения Проницаемости Полимерных Микробаллонов. Краткие Сообщения по Физике ФИАН, №2 стр.30-34,1983

2. Е.Р.Корешева. Структура Криослоя в Термоядерных Мишенях. Там же, №12 стр35-38,1984

3. Е.Р.Корешева, АЛНикитенко. Тепловая Устойчивость Криогенных Мишеней в Условиях Лазерного Эксперимента. Там же, №3 стр.38-41,

1984

4. Е.Р.Корешева, АЛНикитенко. Исследование Динамики Поведения Криослоя в Мишенях при Наличии Градиента Температуры. Там же, №1 стр.37-40,1985

5. Е.Р.Корешева. Исследование Устойчивости Полимерных Микросфер по Отношению к Действию Внутреннего Давления. Там же, №5 стр.32-35,

1985

6. Е.Р.Корешева, АЛКрюков, С.Б.Нестеров, АЛНикитенко. Зависимость Сорбционных Свойств Криослоев Аргона и Азота от Условий Формирования. Там же, №1 стр.33-35, 1987

7. E.R.Koresheva, A.I.Nikitenko. The cryogenic target heat stability under laser experiments. Report, XVIII European conference on Laser Interaction with Matter (Prague, 4-8 May 1987), Book of Abstracts, p.191

8. Е.Р.Корешева, Ю.А.Меркульев, АЛНикитенко, И.Е.Осипов, С.М.Толоконников. Особенности Разрушения Криогенных Мишеней и Ввода их в Фокус Мощного Лазера. Вопросы Атомной Науки и Техники, сер.Термоядерный Синтез, 1 стр.57-61,1988

9. E.RJCoresheva, YuAJrferkuliev, AJJ^ikitenko, IJE.Osipov, S.M.Tolokonnikov. The Peculiarities of Laser Cryogenic Targets Destruction and their Injection into a Powerful Laser Focus. Laser and Particle Beams, б pt2 pp.245-253,1988

10. Г.Д.Баранов, Е.Р.Корешева, В.И.Листратов, А-В.Рогачев, ИЕ.Осипов. Доставка Криогенных Мишеней в Лазерный Фокус. Квантовая Электроника, №8 стр.114-122,1989

11. Г.Д.Баранов, Е.Р.Корешева, ВЛЛистратов, ЮА.Меркульев, Г.В.Минеев, А.И.Никитенко, ИЕ.Осипов, А.В.Рогачев, СМ.Толоконников, А.Н.Чуманов. Устройство для Инжекции Термоядерных Топливных Элементов в Термоядерный Реактор. А-с. №1586437, заявка №4379549 от 11 января 1988, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 15 апреля 1990

12. E.R.Koresheva, A-I.Nikitenko, LE.Osipov, S.M.Tolokonnikov. The Laser Cryotarget Formation and its Delivery Methods Developed in Lebedev Institute. Ibid, pp.227-229,1991

13. E.RJCoresheva, A.I.Nikitenko, LE.Osipov, S.M.Tolokonnikov, A.RDamerell, R.W.Wiatt. The complex gravity injection system for ICF. Ibid, pp.230-232, 1991

14. Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов. Лазерная Термоядерная Установка. А.с. № 1586437, заявка №4843163 от 27 июня 1990, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 1 апреля 1992

15. Е.Р1Сорешева, И .Е.Осипов. Устройство для Формирования и Инжекции Криогенных Топливных Мишеней Лазерной Термоядерной Установки. Ах. №1820757, заявка №4925861 от 5 апреля 1991, зарегистрировано в Гос .реестре изобретений СССР 12 октября 1992

16. А.А.Акунец, Н.Г.Борисенко, В.С.Бухпуев, АЛГромов, В.М.Дороготовцев, А.И.Исаков, В.Н.Ковыльников, Е.РКорешева, ЮАМеркульев, А.ИНикитенко, И.Е.Осипов, В.В.Сутормин, С.М.Толоконников. Технология Лазерных Мишеней в Физическом Институте им. П.КЛебедева. Труды ФИАН, т.220 «Лазерные термоядерные мишени и сверхпрочные оболочки», М.: Наука, стр.3-27,1992

17. Е.Р.Корешева, Ю.А.Меркульев, А.И.Никитенко, И.Е.Осипов, С.М.Толоконников. Автономные Комплексные Устройства Приготовления и Инжекции Криогенных Мишеней в Фокус Мощного Лазера. Там же, стр.61-88

18.1.Vj\leksandrova, E.R.Koresheva, I.E.Osipov, SMTolokonnikov. The Autonomous Complex System for Cryotargets Formation and Their Non-Suspender Frequentative Delivery into the Laser Focus of Multi-Beam ICF Installation. Preprint N24, FIAN, Moscow-1992,38 p.

19. EJLKoresheva. Systems and Methods for Cryotarget Formation and its Non-Suspender Delivery into a Power Laser Focus. Presented at the Cryotarget Development Workshop (Laboratory of Laser Energetics, Univ. Rochester, USA, December 9,1992); Препринт ФИАН №39, cip.25-43, 1995

20.I.V.Aleksandrova, E.R.Koresheva, LE.Osipov. Changes in the Morphology of Frozen Hydrogen-Isotope Layers under Target Heating. Journal of Moscow Physics Soc. (JMPS) v.3 pp.85-100,1993

21.1.V.AIeksandrova, E.RJCoresheva, LE.Osipov. ICF Cryotargets: Science and Technology. Ibid. v.4N2 pp.81-128,1994

22. E.RKoresheva, LE.Osipov, I.VAleksandrova. ICF Cryotarget: Delivery. Ibid. v4 N3 pp.183-242,1994

23.I.V.Aleksandrova, E.R-Koresheva, LE.Osipov. Cryogenic Fuel-Layering Techniques for High-Energy Laser Systems. Presented at the IAEA Technical Committee Meeting on Drivers for ICF (Paris, France, November 14-18, 1994) and at the 10л Target Fabrication Specialists' Meeting (Taos, NM USA, February 6-10,1995); Препринт ФШ №39, стр.88-95,1995

24. E.RXoresheva, I.V.Aleksandrova, I-E.Osipov. Maintanence of ICF Experiments on Power Laser Facility with Cryogenic Targets. Presented at the IAEA Technical Committee Meeting on Drivers for ICF (Paris, France, November 14-18,1994); Препринт N39, стр.96-106, ФИАН, Москва-1995

25. E.R.Koresheva. The Scientific Activity of the Cryotarget Group in Cryotarget Fabrication and Delivery for the Systems of 30kJ-2MJ of Laser Capability. Presented at the 10th Target Fabrication Specialists' Meeting (Taos, NM USA, February 6-10,1995); Препринт N39, стр.107-119, ФИАН, Москва-1995

26. И.В .Александрова, Е.Р.Корешева, ЖЕ.Осипов. Формирование толстого гомогенного криослоя: результаты исследований. Доклад на 22-й Российской конференции по Физике Плазмы и Проблемам УТС (Звенигород, 27 февраля-3 марта, 1995); Препринт N39, стр.120-143, ФИАН, Москва-1995

27. Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов, КВАпександрова, АЛ.Никитенко, С.М.Толоконников, В.С.Бушуев. Фабрика криомигиеней: разработка начальной технологической и элементной базы. Доклад на 22-й Российской конференции по Физике Плазмы и Проблемам УТС (Звенигород, 27 февраля-3 марта, 1995); Препринт N39, стр.144-165, ФИАН, Москва-1995

28.1.V. Aleksandrova, E.R. Koresheva, 1.Е. Osipov, L.V.Panina. Cryotargets for Modern ICF Experiments. Laser and Particle Beams б N2 pp.539-547,1996

29. E.RJCoresheva, I.VAleksandrova, LE.Osipov. Present Status of ICF Cryogenics at LPI. Proceedings of the 11 Target Fabrication Specialists' Meeting (Ocras Island, Washington, USA, September 8-12, 1996): Book of viewgraphs sponsored by Lawrence Livermore National Laboratory

30. И.В.Александрова, Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов. Инжекция как принцип транспорта мишеней между основными элементами: система заполнения-модуль формирования- мишенная камера. Препринт N34, ФИАН, Москва-1996, 25 p.; Book of Abstract, 11-th Target Fabrication Specialists' Mtg.(Ocras Island, Washington, USA, Sept.8-12,1996).

31. КЕ.Осипов, Е.Р.Корешева, И.В Александрова. Система Заполнения Полимерных Микросфер. Препринт N42, ФИАН, Москва-1996, 15 е.; Proceedings of the 11 Target Fabrication Specialist's Meeting (Ocras Island, Washington, September 8-12, 1996): Book of viewgraphs sponsored by Lawrence Livermore National Laboratory

32. I.V. Aleksandrova, ЕЛ. Koresheva, O.N. Krokhin and I.E. Osipov. Rapid Low-Temperature Techniques for Solid Cryolayer Formation J .Moscow Phys. Soc. 7, pp.213-228,1997

33. I.E.Osipov, E.R.Koresheva, G.D.Baranov. A Ramp Filling Procedure Applied to Filling Polymer and Glass Shells with Highly Pressurized Hydrogens. Ibid. 9 pp.301-309, 1999

34. I.V.Aleksandrova, E.R.Koresheva, O.N.Krokhin, IJE.Osipov. Statistical Investigations of Cryogenic Target Formation and Future Trends of Development. Ibid. 9 pp.311-324,19S9

35. I.V.Aleksandrova, E.R.Koresheva, LE.Osipov. Free-Standing Targets for Applications to ICF. Laser and Particle Beams 17 N 4 pp.713-727,1999

36. LE.Osipov, I.V. Aleksandrova, AABelolipetskiy, G.D.Baranov, V.P.Vesek>v, E.R.Koresheva et al. Free-standing target technologies to ICF. Book of Viewgraphs, 13 th Target Fabrication Meeting, November 8-11, 1999, Catalina Island, USA

37. E.R.Koresheva. IAEA Research Project #11536: Extension of Free-Standing Target Technologies on IFE Requirements. In: Summary report of the 1st IAEA RCM of the Research Coordination Project on the Elements of Inertial Fusion Energy Power Plant, p.10 (May 21-24, 2001, Vienna, Austria); http://aries.ucsd.edu

38.I.V.Aleksandrova, EJLKoresheva, LE.Osipov, S.M.Tolokonnikov, A.A.Belolipetskiy, L.A.Rivkis, G.D.Baranov, V.I.Listratov, V.G.Soloviev, LD.Timofeev, G.S.Usachev, V.P.Veselov, L.S.Yaguzinskiy. Free-Standing Target Technologies for ICF. Fusion Technology 38, No. 1 p. 166-172,2000

39. E.R.Koresheva I.VAleksandroviL, G.DJBaranov, A.A.Belolipetskiy, V.P.Veselov, V.I.Listratov, LE.Osipov, LA.Rivkis, V.G.Soloviev, LD.Timofeev, S.M.Tolokonnikov, G.S.Usachev, L.S.Yaguzinskiy . Current Results in the Area of Cryogenic Fuel Layering Obtained at Realization of the ISTC Project #512. In.: Inertial Fusion Science and Applications'99 (ELSEVIER) pp.897-902,2000

40. I.V.Aleksandrova, S.V.Bazdenkov, VJ.Chtcherbakov, EJUCoresheva, I.E.Osipov. Extension of Free-Standing Target Technologies on IFE Requirements, in: Inertial Fusion Science and Application, State of the art 2001 (ELSEVIER) pp.762-766,2002

41. Koresheva E R, Osipov IE, Timasheva T P, Yaguzinskiy L S 2001 The issue of homogeneous solid hi- layers formation inside free-standing microshells. Ibid. pp.767-771,2002

42. I.E.Osipov, E.R.Koresheva, G.D.Baranov, I.D.Timofeev, V.G.Kapralov, B.V.Kuteev. A Device for Cryotarget Rep-Rate Delivery in IFE Target Chamber. Ibid, pp.810-814,2002

43. Е.Р.Корешева, О.Н.Крохин, И.Е.Осипов, Т.П.Тимашева, Л.С.Ягужинский. Криогенный слой топлива, топливное ядро и способ его получения. Патент Российской Федерации, заявка № 2001121680 от 9 августа 2001; заявка на выдачу патента в США №10/207,733 от 10 октября 2002

44. E.R.Koresheva, I.E.Osipov, T.P.Timasheva, L.S.Yaguzinskiy. A new approach to form transparent solid layer of hydrogen inside a microshell: application to inertial confinementfusion. J.Phys.D: ApplPhys. 35, pp.825-830,2002

45. E.R-Koresheva. Progress in the Extension of Free- Standing Target Technologies on IFE Requirements. Report, 2nd IAEA TM on Physics and Technology of Inertial Fusion Energy Targets and Chambers (June 17-19, 2002, San Diego, USA); http://aries.ucsd.edu

46. E.R.Koresheva, I.V.Aleksandrova, I.E.Osipov, S.V.Bazdenkov, V.LChtcherbakov, E.L.Koshelev, A.I.Nikitenko, S.MTolokonnikov, LS.Yaguzinskiy, G.D.Baranov, Ai.Safronov, ID.Timofeev, B.VJCuteev, V.G.Kapralov. Progress in the Extension of Free- Standing Target Technologies on IFE Requirements. Fusion Science and Technology 35, N3 pp.290-300,2003

47. E.R.Koresheva, A.A.Tonshin, IJi.Osipov, O.VJsheinov, L.S.Yaguzinskiy. A mechanism of formation of a smooth solid layer of hydrogen inside a microshell. Proceedings of 27th European conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM), Moscow, Russia, October 7-12,2002

48. E.R.Koresheva. Development of a full-scaled scenario for repeatable IFE target fabrication and injection based on the FST technologies. Proceedings, 2nd IAEA RCM of the Research Coordination Project on the Elements of Inertial Fusion Energy Power Plant (November 4-7, 2003, Vienna, Austria); http://aries.ucsd.edu

49. Б.В.Кугеев, В.Г.Капралов, В.Ю.Сергеев, ГАБаранов, В.К.Гусев,

B.С.Койданс, Е.Р.Корешева, С.В.Лебедев, Л.ГАшкинази, Г.Д.Баранов,

C.М.Егоров, И.Е.Осипов и др. Разработка технологии мишеней для токомаков и ЛТС/ Development of pellet technologies for tokamaks and ICF. Труды 30-й конференции Европейского Физического Общества по Проблемам УТС и Физике Плазмы (30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics), Санкт-Петербург, Россия, 7-11 июля, 2003 г.

50.1.V.Aleksandrova, S.V.Bazdenkov, VJ.Chtcherbakov, E.R.Koresheva, E.L.Koshelev, I.E.Osipov, L.V.Yaguzinskiy. An efficient method of fuel ice formation in moving free standing ICF /IFE targets. J.Phys.D: AppLPhys. 37, pp.1-16,2004

51. Е.РКорешева, И.Е.Осипов, С.М.Толоконников, В.В.Петровский, И.А.Резголь, Г.Д.Баранов. Защитная капсула для доставки топливной

мишени в лазерный фокус без разрушения. Вопросы Атомной Науки и Техники, серия Термоядерный синтез, 2, стр.11-24,2004

52. E.RJtoresheva, I.VAleksandrova, G.D.Baranov, VJ.Chtcherbakov, AJ.Kupriashin, V.N.Leonov, A.LNikitenko, LE.Osipov, V.V.Petrovskiy, I.A.Rezgol, A.I.Safronov, TP.Timasheva, I.D.Timofeev, S.M.Tolokonnikov, A.A.Tonshin, L.S.Yaguzinskiy. FST technologies for IFE targets fabrication, characterization and delivery. Proceedings, 3"1 IAEA RCM on Physics and Technology of IFE Targets and Chambers (11-13 October, 2004, Daejon, Rep .Korea); http://aries.ucsd.edu

53. G.D.Baranov, E.R.Koresheva, LE.Osipov, ALSafronov, I.D.Timofeev, S.M.Tolokonnikov, AJ.Nikitenko. Design of a special sabot for IFE target acceleration inside the coil-&-gas gun. Report, Presented at the 2nd IAEA TCM on Physics and Technology of IFE Targets and Chambers, June 17—19 2002, San Diego, С A, USA and at the XXVII European conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM), October 7-11 2002, Moscow, Russia.

54. E.R.Koresheva, LE.Osipov, I.V.Aleksandrova. Free-standing target technologies for inertial confinement fusion: fabrication, characterization, delivery. Laser and Particle Beams, pt.4,2005 (in press)

55. E.RJtoresheva. FST technologies for IFE targets fabrication, characterization and delivery. Institute for Laser Engineering, Annual Progress Report, 2004 (Osaka University Press)

Цитируемая литература

1. "International Thermonuclear Experimental Reactor ITER" Preprints, IAEA 16-th Fusion Energy conference, Montreal, October 1996

2. W.R.Meier. An integrated research plan for IFE technology. Report, IAEA TCM on Physics and Technology of Inertial Confinement Fusion Energy Targets and Chambers, 7-9 June 2000, Madrid, Spain

3. S.Nakai. Design study and technology assessment on inertial fusion energy power plant design. In: Elements of Power Plant Design for Inertial Fusion Energy, Final report of a coordinated research project, IAEA TECDOC-XXXX, Printed by the IAEA in Austria, pp.151-158, December 2004

4. G.A.Kirillov et al. Overview of laser fusion program at Russian Federal Nuclear Center-VNIIEF. Ibid.

5. K.Steinmetz. Coordination of IFE keep-in-touch research activities in Europe. Ibid.

6. B.Yu.Sharkov et al. To the homogeneous illumination of cylindrical targets in reactor chamber. Ibid.

7. E.R.Koresheva et al. Development of a full-scaled scenario for repeatable IFE target fabrication and injection based on the FST technologies. Proceedings,

2й1 IAEA RCM of the Coordination Research Project on "Elements of Power Plant Design for Inertial Fusion Energy", 4-7 November 2003, Vienna, Austria

8. Technical proposal for design, construction, commissioning and operation of the HEDgeHOB (High Energy Density Matter generated by Heavy Ian Beams). Lol ID: 22, FAIR-PAC: APPA, 14.01.2005

9. Elements of Power Plant Design for Inertial Fusion Energy. Final report of a coordinated research project, IAEA-TECDOC-XXXX (IAEA, Vienna), December 2004, 173 p. Proceedings, 1* IAEA RCM of the Coordinated Research Project on "Elements of Power Plant Design for Inertial Fusion Energy", 21-24 May 2001, Vienna, Austria

10. Н.Г.Басов, О.Н.Крохин. Условие разогрева плазмы излучением оптического генератора. ЖЭТФ, 47, стр.171-175 ,1964

11. J.Nuckolls, L.Wood, A.Thissen, GB.Zirnmerman. Laser compression of matter to super-high densities: thermonuclear (CTR) applications. Nature, 239, pp.139-142,1972

12. Ю.В.Афанасьев, Н.Г.Басов, П.П.Волосевич, ЕГ.Гамалий, ОЛКрохин, С.П.Курдюмов, Е.ИЛеванов, В.Б.Розанов, АА.Самарский, А.Н.Тихонов. Лазерное инициирование термояс^ерных реакций в негомогенных термоядерных мишенях. Письма в ЖЭТФ, 21 вып.2 стр.150-155,1975

13. С.И.Анисимов, М.П-Иванов, П.П.Г1ашинин, АЛШрохоров. Газовая оболочечная мишень для лазерного инициирования термоядерных реакций. Письма в ЖЭТФ, 22 (6), стр.543-346,1976

14. Ю.В.Афанасьев, Н.Г.Басов, Е.Г.Гамалий, В.Б.Розанов, А.А.Самарский, Л.П.Феоктистов. Теория нагрева и сжатия низкоэнтропийных термоядерных мишеней. Труды ФИАН134, М. Наука, 1982,184 с.

15. Research into laser thermonuclear fusion in RFNC-VNIIEF (collection of scientific papers, eds.S.G.Garanin), Sarov, RFNC-VNIIEF, 2001,58 p.

16. А.М-Прохоров, С.И.Анисимов, ШШашинин. Лазерный термоядерный синтез. УФН. 119, стр.401-424,1976

17. Дж.Дюдерштадт, Г.Мозес. Инерциалоный термоядерный синтез. Пер.с англ. Под ред. В.М.Колобашкгаа и ГБ.Склизкова, Москва, Энергоатомиздат, 1984,301 с.

18. Н.Г.Басов, Е.Г.Гамалий, В.Б.Розанон, Г.В.Склизков. Исследования по Лазерному Термоядерному Синтезу в СССР. Препринт 96, ФИАН, Москва-1987,41 с.

19. Energy from inertial fusion. IAEA, Vienna, 1995

20. M. J. Monster, Y. A. Merkul'ev, T. Norimatsu. Target fabrication and injection, pp.151-184. In: Energy from inertial fusion, IAEA, Vienna, 1995

21. K.R.Schultz, D.Goodin, A.Nobile. IFE target fabrication and injection achieving "Believability". Nucl.Instrum.Methods A 464, pp.109-117,2001

22. I.V.Aleksandrova, A.A.Belolipetskiy. Mathematical models for filling polymer shells with a real gas-fuel. Laser and Particle Beams 17, N4, pp.701-712,1999

23. E.I.Moses, C.R-Wuest. The National Ignition Facility: Status and Plans for Laser Fusion and High-Energy-Density Experiments. Fusion Science and Technology, 43 N3 2003

24. M.L.Andre. Laser Megajoule Project Status. Ibid, pp.32-39

25. I.V.Aleksandrova, A.A.Belolipetskiy. Mathematical models for filling polymer shells with a real gas-fuel. Laser and Particle Beams 17, N4, pp.701-712,1999

26. R.PJ.Town et al. OMEGA cryogenic target designs. LLE Review, Quarterly Report, 82 pp.49-55, January-March 2000 (University of Rochester, Laboratory for Laser Energetics)

27. Установка «ИСКРА-6», техническое предложение. Книга 1, Пояснительная записка А1310-ЛеЮО.ОО.ОООПЗ

28. S.Nakai, J.Miley. Physics of high power laser and matter interactions. Word Scientific Publishing, Singapore (1992) 87 p.

29. S.P.Regan et al. High-density, direst-drive implosions on OMEGA in: Inertial Fusion Science and Applications 2001, State of the art 2001 (ELSEVIER), pp.89-95,2002

30. В.П.Смирнов. Исследования no термоядерному синтезу. Научное сообщение на заседании Президиума РАН, ноябрь 2002; Вестник Российской Академии Наук 73 №4, стр.1-15,2003

31. T.M.Henderson, R.RJohnson. The implosion of cryogenic spherical shell targets. AppLPhysXett 31 Nl,pp.l8-20,1977

32. D.L.Musinski et al. Cryogenic inertial confinement fusion target technology at the Omega facility, University Rochester. J.Vac.ScLTechnol. A5(4), pp.2746-49,1987

33. F .J.Mars hall et al. Cryogenic-laser-fusion target implosion studies performed with the OMEGA uv-laser system. Phys.Rev. A 40, N5 pp.2547-2557, 1989; Uniform liquid-fuel layer produced in a cryogenic target by a time-dependent thermal gradient, pp.203-210 in: ILE Annual Report, University of Rochester, 1988

34. T.Norimatsu et al. Fabrication of a cryogenic foam target for inertial confinement fusion experiments. J.Vac.ScLTechnol. A 6 (6), pp.3144-3147, 1988

35. Sater J, et al. Cryogenic DT-Fuel Layers Formed in 1 mm Spheres by BetaLayering. Fusion Technology 35 p.229,1999

36. J.Sater. Advanced Cryogenic Layering and Engineering Development, pp. 3-83 - 3-93 in: Annual report on the projects № 03748 and Jfe 30095 (ed. WJ-Miller), October 1,2000 - September 30,2001, General Atomics, 2001

37. D.N.Bittner, G.W.Collins, E.Monsler, SJLette. Forming Uniform HD Layers in Shells Using Infrared Radiation. Fusion Technology 35 p.244, 1999; InfraRed Redistribution of D2 and HD Layers for ICF. J.Vac.Sci.TechnoL A14(5) p. 2897,1996

38. B.Kozioziemski, G.W.Collins, J.D.Sater et al. 3He evolution in deuteriumtritium layers. Proceedings of the 13d1 Target Fabrication Meeting (Catalina Island, USA, November 8-12,1999)

39. P.W.McKenty. Direct-drive cryogenic target implosion performance on OMEGA. Report, 45th AnnJMtg. of the American Phys.Soc., 27-31 October 2003, Albuquerque, NM USA

40. Виняр И.В., Андреев А.П., Кутеев Б.В. и др. Инжектор топливных таблеток, использующий высокотемпературный газ: принцип действия, конструкция, диагностика. Вопросы Атомной Науки и Техники, Сер. Термоядерный Синтез, 1986, вып. 4, стр. 22

41. R.W.Petzoldt et al. Status of target injection and tracking studies for inertial fusion energy. Fusion Technology 38 N1 pp.22-27,2000

42. Goodin D.T. et al. Developing the basis for target injection and tracking in inertial fusion energy power plant. Fusion Engineering &JDesign 60 pp. 27-35, 2002

43. Т.Еш1о,8.1пауатаД^аката18и. Preliminary conceptual design of target injector for fast-ignition laser fusion. 2nd US/Japan Workshop on Target Fabrication, Injection and Tracking. San Diego, USA, February 3-4,2003

44. E.RJCoresheva. Resume on the activity of IAEA Coordinated Research Project "Elements of Power Plant Design for Inertial Fusion Energy" in the scope of IFE target technology and delivery. In: Elements of Power Plant Design for Inertial Fusion Energy, Final report of a coordinated research project, IAEA TECDOC-XXXX, Printed by the IAEA in Austria, pp. 123-128, December 2004: http://aries.ucsd.edu/LIB/MEETINGS/

15. п.4. Узел ввода мишеней в камеру (разработчики: Ю.А.Меркульев, Е.Р.Корешева). стр.221-222 в кн.: Лазерная термоядерная установка ДЕЛЬФИН: действующий комплекс и направления развития. Отчет о научно-исследовательской работе. Инв.№ 0283.0056237, Москва, 1983

46. Г.ДЛ>аранов, Е.Р.Корешева, ВЛЛистратов, А.В.Рогачев, И.Е.Осипов. Доставка криогенных мишеней в лазерный фокус. Квантовая Электроника №8 стр.114-122,1989

47. E.R.Koresheva, A.I.Nikitenko, I.E.Osipov, S.M.Tolokonnikov. The laser cryotarget formation and its delivery methods developed in Lebedev Institute. Proc. XXI European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM), (Warsaw, Poland, October 21-25,1991) pp.227-229,1991

48. EiLKoresheva, A.I.Nikitenko, LE.Osipov, S.M.Tolokonnikov, AJLDamerell, R.W.Wiatt. The complex gravity injection system for ICF. Ibid, pp.230-232, 1991

49. Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов. Лазерная Термоядерная Установка. А.с. № 1586437, заявка №4843163 от 27 июня 1990, зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 1 апреля 1992

50. Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов. Устройство для Формирования и Инжекции Криогенных Топливных Мишеней Лазерной Термоядерной Установки. Ал. №1820757, заявка №4925861 от 5 апреля 1991, зарегистрировано в Гос.реестре изобретений СССР 12 ок-тября 1992

51. Е.Р.Корешева, Ю.А.Меркульев, А.И.Никитенко, И.Е.Осипов, С.М.Толоконников. Автономные комплексные устройства приготовления и инжекции криогенных мишеней в фокус мощного лазера. Лазерные термоядерные мишени и сверхпрочные оболочки. Труды ФИАН, 220, Москва, Наука, сгр.61-88,1992

52. И.Е.Осипов. Исследование процессов конденсации изотопов водорода в лазерных мишенях и разработка устройств для бесконтактной доставки криогенных мишеней в фокус оптической системы лазерной термоядерной установки с Ел > 30 кДж. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва-1994 г., научный руководитель: Е.Р.Корешева

53. И.ВАпександрова. Криогенные мишени для лазерных термоядерных установок с энергией Ел > 30 кДж. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва-1994 г., научный руководитель: Е.Р.Корешева

54. I.V.Aleksandrova, E.R.Koresheva, I.E.Osipov. ICF Cryotargets: Science and Technology. J.Moscow Phys.Soc. 4 N2 pp.81-128,1994

55. E.R.Koresheva, I.E.Osipov, I.V.AIeksandrova. ICF Cryotarget: Delivery. Ibid. 4N3 pp.l83-242,1994

56. I.V. Aleksandrova, E.R. Koresheva, I.E. Osipov, L.V.Panina. Cryotargets for Modem ICF Experiments. Laser and Particle Beams 6 N2 pp.539-547,1996

57. И.В.Александрова, Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов. Инжекция как принцип транспорта мишеней между основными элементами: система заполнения-модуль формирования- мишенная камера. Препринт N34, ФИАН, Москва-1996, 25 p.; Book of Abstract, 11-th Target Fabrication Specialists' Mtg. (Ocras Island, Washington, USA, Sept.8-12,1996).

58. I.V.Aleksandrova, E.R.Koresheva, LE.Osipov. Free-Standing Targets for Applications to ICF. Laser and Particle Beams 17 N 4 pp.713-727,1999

59.1.V.Aleksandrova, E.R.Koresheva, I.E.Osipov, S.MTolokonnikov, LA.Rivkis, V.P.Veselov, A.A.Belolipetskiy, G.D.Baranov, VJ.Listratov, V.G.Soloviev, LD.Timofeev, G.S.Usachev, L.S.Yaguzinskiy. Free-standing target technologies for ICF. Fusion Technology, 38,N1 pp.166-172,2000

60. Е.Р.Корешева,О.Н.КрохинД1.Е.Осипов,Т.П.Тимашева, Л.С.Ягужинский. Криогенный слой топлива, топливное ядро и способ его получения. Патент Российской Федерации, заявка № 2001121680 от 9 августа 2001; заявка на выдачу патента в США №10/207,733 от 10 октября 2002

61. E.RXoreshevaJ.E.Osipov,T.P.TTmashev,iJ,.S.Yagjizmskiy. A new approach to form transparent solid layer of hydrogen inside a microshell: application to inertial confinementfusion. J.Phys.D: ApplJPhys. 35, pp.825-830,2002

62.1.V.Aleksandrova, S.V.Bazdenkov, VJ .Chtcherbakov. Rapid fuel layering inside moving free-standing targets: physical model and simulation code development. Laser Part. Beams 20 (2002) 13

63.I.V.Aleksandrova, S.V.Bazdenkov, VJ.Chtcherbakov, EJLKoresheva, E.L.Koshelev, LE.Osipov, L.V.Yaguzimkiy. An Efficient Method of Fuel Ice Formation in Moving Free Standing ICF / IFE Targets. J.Phys.D: ApplJhys. 37, pp.1-16,2004

64. Ю.А.Меркульев. Лазерные термоядерные мишени. Разработка физических основ технологии изготовления и создание аппаратурного комплекса для их производства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Москва-1996.

65. ИВЗолотухин, Ю.Е.Калинин, О.В.Стогней. Новые направления физического материаловедения, (ученое издание) Изд. Воронежского государственного университета, 2000 г., 360 с.

66. Технический проект. ОКР «Аппаратурный технологический комплекс для изготовления, аттестации и доставки мишеней в центр камеры взаимодействия установки «Искра-6:> - «фабрика мишеней» установки «Искра-6»» А1310-JI600.50.000.

67. A.Nobile et al. Overview of Los Alamos target fabrication and tracking tasks. Presented at the Laser IFE Program Workshop, 6-7 February 2001, Naval Research Laboratory, Washington D.C., USA

68.1.E.Osipov, EJLKoresheva, GD.Baranov, LD.Timofeev, V.G.Kapralov, B.Viiuteev. A Device for Cryotarget Rep-Rate Delivery in IFE Target Chamber. Report, 2nd IFSA, 9-14 September 2001, Kyoto, Japan; in: Inertial Fusion Science and Application, State of the art 2001 (ELSEVIER) pp.810-814,2002

69. T.Norimatsu. What is the next step? Report, 3rd IAEA RCM of the Research Coordination Project on the Elements of Inertial Fusion Energy Power Plant, 14 October, 2004, Daejon, RepJCorea

»19189

РНБ Русский фонд

2006-4 17160

Подписано в печать 1,0,0 & 2005 г. Формат 60x84/16. Заказ Мс6&- Тираж аО.экз. П.л. ХУ&. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 132 5128

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Корешева, Елена Ростиславовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПРОБЛЕМ ИТС В ОБЛАСТИ

ФОРМИРОВАНИЯ И ДОСТАВКИ ТОПЛИВНЫХ МИШЕНЕЙ.

1. Условия реализации ИТС с положительным выходом энергии.

2. Структура топливной мишени для различных схем ИТС.

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.

4. Проблема минимизации количества радиоактивного трития в БТ-смеси.

5. Методы формирования криогенного слоя внутри полой сферической оболочки.

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.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МИКРОСФЕР ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ НИЖЕ 300 К.

1. Вводные замечания.

2. Режимы заполнения, хранения и разгерметизации микросфер. ^

2.1.Экспериментальное определение коэффициента газопроницаемости стенки ц 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 НО 1-^-10 %.

4.3. Получение смесей с концентрацией НО менее 1%.

Введение диссертация по физике, на тему "Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза"

Более полувека тому назад перед учеными была поставлена задача использования для практических целей энергии термоядерного синтеза, которая выделяется при слиянии о легких ядер: дейтерия (ТУ) и трития (Т), Э и О, Э 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 БТ-топливом до термоядерных температур, применяется специальный драйвер: лазер, источник ионных пучков, 2-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-И026 см"' (100-И000 г/см3) [11], что определяется критерием Лоусона для DT-смеси: пт>1014 сек/см3, где т~10~9-И0"" 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?3, 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), покрывающий внутреннюю поверхность сферической капсулы (см. Рис.1).

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-И000 г/см3) необходимо всего около 7.5-^35.0 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 (D2) 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) ОТ

7 2/3 смеси до плотностей р ~ 100-1000 г/см , можно оценить из соотношения Ес=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 ЭТ-смеси и -0.17 атм у Ог (данные для тройной точки).

Необходимость непрерывной подачи мишеней в зону термоядерного горения с частотой ~ 1-й 0 Гц (лазерный и ионный драйвер) или 0.1 Гц (2-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 ОТ-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 ОТ-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 Ии< 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 БТ-топливо в равновесии представляет собой смесь трех компонент (~26%02/26%Т2/48%0Т) 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.

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.

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

2. Сохранение параметров криогенного слоя в процессе доставки мишени

3. Доставка мишеней в зону горения с требуемой частотой

4. Быстрый контроль параметров мишени

5. Контроль и управление траекторией движения мишени

6. 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 к 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, Нейтронно-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.Тонынин 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"]

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) с!<0.1 мкм, среди которых, в соответствии с обзорной работой [^5], мы выделяем три основные подвида: (1) мелкозернистые поликристаллические (150А<ё<0.1 мкм), (2) нано-кристаллические (50 А<с1<150 А) и (3) аморфные (с!<30-50 А) состояния.

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:

3. 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 Бг 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 ОЕККО-ХН. 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 ОЕККО-ХН.

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

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ)

Проведен цикл исследований, охватывающий все ключевые проблемы, касающиеся криогенных термоядерных мишеней с твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых нагрузок, возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зону облучения мощной лазерной установки и реактора инерциального термоядерного синтеза. Получены следующие основные результаты:

1. Впервые создано и исследовано устойчивое высокодисперсное состояние твердых изотопов водорода. Найдены условия получения прозрачного криогенного слоя из твердых изотопов водорода в устойчивом высокодисперсном состоянии, которое не рекристаллизуется при нескольких циклах нагрева-охлаждения в диапазоне от 5 К до тройной точки изотопа.

3. В незакрепленных микросферах получен прозрачный сферически-симметричный гладкий твердый криогенный слой из изотопов водорода, отличающийся устойчивостью к циклической термообработке в пределах от 5 К до тройной точки изотопа, что позволяет осуществлять доставку криогенных мишеней в зону лазерного облучения без разрушения.

4. Создан оригинальный комплекс устройств, обеспечивающих непрерывный процесс формирования криогенных мишеней, их инжекцию и контроль в реальном времени скорости и траектории инжектированных мишеней, а также ввод мишеней в зону облучения синхронно с излучением лазера. Экспериментально получены характеристики работы отдельных элементов комплекса, включая модуль формирования, системы электромагнитного и гравитационного ввода мишеней, а также систему диагностики скорости и траектории инжектированной мишени.

5. При криогенных температурах впервые экспериментально продемонстрировано эффективное ускорение ферромагнитной капсулы-носителя мишени в электромагнитном поле соленоида.

6. Результаты численных расчетов по оптимизации материала капсулы-носителя мишени, показавшие, что капсула из магнитодиэлектрика с коэффициентом заполнения феррочастицами 60-70% может быть ускорена в электромагнитном инжекторе наиболее эффективно.

7. На основании полученных теоретических и экспериментальных результатов разработана новая технология непрерывного формирования криогенных мишеней с равнотолщинным гладким твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых нагрузок, возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зону лазерного облучения.

Таким образом, достигнута основная цель диссертации: созданы криогенные мишени с устойчивым слоем топлива, что обеспечивает их доставку без разрушения в зону лазерного облучения; создана научная и технологическая база для построения установки непрерывного формирования данных мишеней и их инжекционной доставки без разрушения в фокус мощной лазерной термоядерной установки или демонстрационного прототипа реактора.

Полученные результаты позволяют

1) Осуществлять эксперименты на мощных лазерных установках в условиях, когда взаимодействие пары драйвер-мишень происходит наиболее эффективно

2) Осуществлять инжекционную доставку криогенных мишеней в зону взаимодействия без потери качества топливного слоя и разрушения мишени.

3) Мишени нового класса, содержащие криогенный слой в состоянии «водородное стекло» или другом высокодисперсном состоянии, необходимы для фундаментальных исследований уравнения состояния вещества, а также в исследованиях, связанных с созданием металлического водорода с помощью всестороннего сжатия вещества по схеме ИТС.

Метод формирования криогенного слоя внутри движущихся незакрепленных микросфер, развитый в диссертации, положен в основу проектной конструкции устройства формирования и доставки криогенных мишеней в фокус установки ИСКРА-6.

Оригинальные технические решения стыковки модуля формирования и инжектора, а также устройства частотной сборки ансамблей капсула/мишень, разработанные в диссертации, положены в основу конструкции устройства сборки цилиндрических криогенных мишеней для плазменных экспериментов ЬАРЬАБ, которое предполагается создать при участии специалистов ФИАН, ФГУП «Красная Звезда» и СПбГПУ (г.Санкт-Петербург) в рамках проекта НЕОдеНОВ.