Криогенные мишени для лазерных термоядерных установок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.». ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи УДК 621.039.633 539.(07.Я

АЛЕКСАНДРОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА

КРИОГЕННЫЕ МШ11ЕНИ ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК С ЭНЕРГИЕЙ Е^ > 30 КДж

(Смцпшшс» 01.04.21 - Лазерная фиат*)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

РГ6 :,0Я

МОСКВА -

Актуальность работы.

Более чей эа тридцатилетний период развития, начало которого относится к 1961г.111, лазерный термоядерный синтез (ЛТС) с коят ролируеким высвобождением энергии превратился в самостоятельную область исследований, основная направленность которых связана с ре шением энергетической проблемы эа счет трансформации энергии термоядерных реакций при синтезе легких элементов в полезные виды энергия: электричество и тепло. Исследования, проводимые по ЛТС, т.е. в условиях микровэрыва, имеют и общенаучное значение, поскольку сферическая топливная таблетка (мишень), облучаемая лазером (драйвером), представляет собой уникальный физический объект, позволявший в лабораторных условиях изучать свойства вещества, находящегося в экстремальных состояниях. Создание сверхплотной высокотемпературной плазмы на мегаджоульном уровне лазерного эксперимента, когда мишень с большим коэффициентом термоядерного усиления работает как исключительно моцный источник нейтронов, нейтрино, рентгеновского излучения и у ~ квантов, позволяет ухе решать не только фундаментальные ядерно-физические проблемы, во и ряд важных задач прикладного характера.

Б настоящее время исследования по ЛТС интенсивно ведутся во многих странах мира как в области разработки элементной базы веодкмовы* драйверов, необходимой для создания установок с энергетическим масштабом 10® Дж, так и в области развития технологии производства термоядерных мишеней с требуемыми параметрами качества. Это обусловлено тем, что современный этап развития ЯГС характеризуется переходом к значительно большей энергетике лазерных систем (Е^*30КДж-1МШк) а, соответственно, к использования в таких экспериментах криогенных

новке "Омега" (Omega Upgrade; USA), 60-канальиом неодямовом лазер* « энергией 30 КД* ь третье« гармонике, ра<Чда«ида % схеме прямого сжатая 18 3. Для Е^* 30 КДа криогенные мишени кмепт следувщие параметры: йиаметр полимерной оболочки в диапазон® " 2R*700-1100 мкм, тощина стенки оболочки A R=5-lО юсы, толщина криогенного слоя W=10-100 шш £9 3 Отметим, vro основной современной концепцией в ЛТС при прямом нагреве является абляционное сжатие высокоаспектных обояочечкнх мишеней, впервые предложенное в работах £10, 111. S этом случае для обеспечения высокой плотности термоядерного топяйьа требуемая степень сжатия должна обеспечиваться за счет высокой симметрии самой мишекни при условии высокой пространствевно-временнсй равномерности поглощаемой ев экер гии лазерного излучения.

Основное направление досткхзкия необходимой симметрии поглощения состоит в формировании высокой однородности облучения мишени лазерным излучением. Традиционно при формировании однородного облучения принимались во внимание интегральные параметры лазерного импульса, такие, как длительность и временная форма, его контраст, расходимость и яркость и т.п. Кроме того, учитывались конструктивные особенности лазерных установок.

Проведенные исследования показали недостаточность имеющиеся возможностей для достижения неравномерности освещенности поверхности мишени менее 1-3%, главным образом га-эа остаточных аббераций лазерных пучков и интерференции лазерного излучения на поверхности мишени. В связи с этим были предложены дополнительные устройства, такие, как фазовые пластины (ФП) [ 12 Исследованию ФП

посвящены работы if 12- 14]. Следует отметить, что когерентность

в тепловое излучение плазмы (внешняя капсула должна быть из материала с большим атомным номером}, которое становится источником нагрева и последующего сжатия внутренней оболочки с топливом. Будущие- эксперимента (до 2000 года) в режиме непрямого сжатия планируется проводить ухе на уровне энергия драйвера Е^=1-2 МДж (твердотельный неодимовый яааер,2 =0,35 мкм) на установке следующего поколения семейства - "Нова" (Nova Upgrade, USA) ( 21, 22 J. К ожидаемым результатам при мегаджоульньг: энергиях лазерных импульсов относится не только демонстрация зажигания топлива, но и достижение усиления по энергии с лабораторными мишенями [ 21 ]. Для МД*? параметры криогенных мишеней варьируются в следующих пределах 2JM.6-2 мм, дR=100 мкм, №=80-150 мкм f23 1-

Как в случае прямого, так и непрямого облучения сферической топливной таблетки, для достижения больших степеней сжатия (кроме решения вопросов реализации необходимой однородности нагрева), одной из важнейших задач является создание криогенных мишеней с толстым топливным слоем и удовлетворяющих следующим требованиям: однородность по массе, концентричность, сферичность лучше, чем 2х , толщина, криослоя от 10 до 150 мкм, возмущения на свободной поверхности конденсированного топлива менее 1000 АС 9 ). Достижение столь высокого качества фактически выделяет технологию изготовления мишеней в специальное и довольно разветвленное направление, поскольку физика процессов, лежащая в основе изготовления каждого слоя мишени, включая топливный, имеет существенно различную природу. Важным является и то обстоятельство, что исходное "несовершенство" мишени - начальная

мер, внутреннее давление разрушения для оболочек, изготовленных ы*- ■ одом вспенивания, составляет менее 35 атм для Ад=Й/ДК > 20 при

=300 К, а методом микрокапсулирования - в 3,5 раза меньше 27]. Поэтому становится проблематичным уже само существование газонаполненной оболочки, а вместе с ней и всех методов формирования криосяоя, требующих начальной газовой фазы. Серьезные опасения вызывает и возможность радиоактивного загрязнения в случае разрушения мишени, заполненной ДТ топливом, при ее нагреве вше определенной температуры, зависящей от прочности и аспектного отношения А3 применяемой полимерной капсулы. Таким образом, ключевым моментом при использовании полимерных оболочек в экспериментах по ЛТС с Е^ I ЗОКДж является создание специального устройства для заполнения оболочек газообразным топливом и переноса их в узел формиро вания криослоя, исключая при этом механическое разрушение мишеней под действием внутреннего давления. Разработке физических основ пос троения системы заполнения, определяющих ее конструкцию, должно предшествовать проведение специальных исследований с учетом как фазовой динамики топлива при охлаждении газонаполненной микросферы с началь ным давлением в диапазоне от 70 до 1543 атм, так и ее прочностных и геометрических характеристик [ 28 I.

Самого пристального внимания заслуживает и то обстоятельство, что методы, развитые в мире для формирования криогенных слоев топлива, в большинстве своем основаны на физике тонкой пленки (V < бмкм) [ 29-32 ], и возможность их применения для толщин более 10 мкм должна еще изучаться, причем отдельно для каждого метода. Однако, адаптация по параметру равнотолщинности на диапазон «=10-150 мкм Сесли окажется возможной) вовсе не гарантирует

\

позиционирование с помощью подвеса, изготавливаемая мишень должна в камеру доставляться. Учитывая, что изменение параметров криослоя в результате различных внешних воздействий (теплового состояния окружающей среды, вибраций н ударов) существенно зависит от его внутренней структуры, а результаты экспериментов по сжатию - от состояния топлива в момент облучения, то поставленная задача не сводится лишь к формированию качественного криослоя, но криослоя с долгоживущими характеристиками качества.

Все перечисленные проблемы требуют последовательного эксперимен таяьного и теоретического изучения, поскольку нынешнее состояние дел в области создания криогенных мишеней не дает удовлетворительного ответа на основной вопрос о том, как формировать топливные слои значительной толщины и с долгоживущими характеристиками качества, чтобы обеспечить проведение экспериментов по ЯТС на уровне энергии лазера Е^ I 30 КДж.

Целью настоящей работы является:

1. Исследование фазовой динамики Dg топлива при охлаждении газонаполненной обЬлочки в диапазоне температур Т=300-18.71К и начальных давлений заполнения Р^=70-1543 атм.

2. Изучение структурно-чувствительных свойств изотопов водорода (Hg, Dg, Hg+Dg), сформированных в твердый криослой в виде аморфной или

поликристаллйческой структуры с мелким и крупным зерном, что определяется необходимостью поиска новых или адаптации уже существующих (т. е. развитых для тонких топливных слоев с W < 6 мкм) методов формирования криогенных мишеней' к требованиям качества для

плавления, т.е. обладает долгоживущими характеристиками качества

В экспериментах иа установке "Дельфин-1" по исследованию спектрального состава излучения плазмы, обраэуицейся при сферическом облучения стеклянных оболочечных мишеней, содержащих в стенке микропримеси серебра, впервые обнаружено явление аномальной генерации гармоник основного греющего излучения С Хо=1,06 шсм) на частотах 1ь>0 и 2о>0. Детальное изучение явления позволяет сделать вывод о перспективности применения указанных оболочек для стимулирования процессов в плазменной короне, приводящих к дополнительной симметризации лазерного излучения в зож мишени.

Научная и практическая ценность.

1. На основании выполненных расчетов и проведенных экспериментов составлена библиотека данных, позволяющих определить из исходных характеристик мишени (материал стенки, радиус оболочки и ее аспектное отношение, толщина криослоя) всю систему параметров, необходимых для выбора режима подготовки газонаполненных мишеней, метода формирования криослоя, а также принципа доставки Синжекция или позиционирование с помощью подвеса) криомишени в фокус лазерной термоядерной установки, исключающего деградацию качества криослоя.

2. Показано, что для заданной массы топлива оптимальным является формирование криогенных слоев с максимальным аспектным отношением, что эквивалентно снижению начального давления заполнения в 1,8 раза. В этом случае применение капсул из полистирола, получаемых методом вспенивания, с асректным отношением А5 < 15 (режим непрямого сжатия) позволяет в системе

спектральном и пространственном разрешении.

Автор защищает следующие результаты работы:

1. Разработана методика расчета и проведены эксперименты позволяющие определить области существования различных типов мишеней с внешней оболочкой из полистирола я осуществить выбор метода формирования^ криогенной мишени с требуемыми параметрами топливного криослоя, соответствующими энергетике лазера и режиму сжатия.

2. Показано, что важней&зя характеристика криомшеии время ее жизни в экспериментальной камере лазерной термоядерной установки зависит от начальной структуры криогенного слоя.

3. Найдена и экспериментально доказана возможность гомогенизации поликристаллического криослоя водорода Сп - йу. Определены условия стабильного существования полученной гомогенной структуры.

4. Результаты экспериментов по исследованию явления аномальной генерации гармоник на основной и удвоенной частотах при сферическом облучении стеклянных оболочечных мишеней, содержащих ммкровилечения серебра.

Апробация работы.

Результаты, представленные в диссертации, неоднократно обсуждались на семинарах Нейтронио-фиэического отдела ФИАН и отдела Квантовой радиофизики, докладывались яа IV Всесоюзном совещании "Оптика лазеров" СЛенинград, 1998), на Всесоюзных совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы (Дубна, 1983; Алушта,

криослоя за счет обратной сублимации жз газовой фазы. Согласно данным расчета для режима непрямого сжатия идеальным является применение полистирольных оболочек, получаемых методом вспенивания С <7Г » 1225 кг/см^ при 100 К). При прямом облучении мишени указанная прочность, начиная с А 50, является уже недостаточное чтобы работать во всем диапазоне начальных плотностей газообразного Dg топлива С^» 11^128 мг/см ). Единственным выходом (кроме применения других, более прочных, полимеров) является формирование мишени с максимальны»» аспектам« отношением криослоя для заданной массы топлива, что эффективь снижает верхний предел по давление заполнения в 1,8 раза.

В этой же главе обсуждаются вопросы создания систем для заполнения оболочек топливом и переноса их в узел формирования криослоя. И здесь возможность длительного существования газонаполненной микросферы играет крайне важную роль, т. к. позволяет осуществить сброс давления в камере заполнения до 1 атм без ожижения топлива (т.е. при температурах вике критичческой. а в некоторых случаях - режим непрямого сжатия- и при = 80 К) и механического разрушения оболочки.

Среди рассматриваемых типов мишеней только двухфазные с твердым или жидким конденсатом требуют развития специальных методов формирования криослоя. Проведенный цикл исследований но изучению структурно-чувствительных свойств изотопов водорода (Hg. Dg, Hg+Dg), результаты которого представлены во второй главе, с определенностью показал, что качество топливного слоя, его временной и температурный интервал стабильного существования в значительной мере зависят от внутренней структуры формируемого

Тд (Т~> 0,5Т^Г), невозможно избежать конверсии аморфного крисл.-я«* еще до начала облучения мишени. Следовательно, указанный проце> обязательно должен приниматься во внимание при расработке систем доставки аморфных криослоев в фокус ЛГУ. Отметим. что непосредственное использование мелкокристаллических слоев тошшвч вообще затруднительно, т.к. время их жизни значительно меньше, чем аморфной модификации. Деградация мелкокристаллической структуры наступает уже при слабом отогреве мишени (т.е. вблизи точки формирования) в результате пооцесса собирательной рекристаллизации

Другим фактором, существенно определяющим поведение аморфных криослоев, является их повышенная чувствительность к вибрациям и ударам. Это означает, что профилирование лазерного импульса при работе с аморфным криослоем должно проводиться с известной осторожностью. Во всяком случав, временная форма импульса со слабым длинным предимпульсом является нежелательной. Принимая во внимание процессы, связанные с конверсией первоначально аморфного криослоя. мы назвали его квазиаморфным.

Третья глава диссертации посвящена вопросам создания ¡о ноге'-чьи слоев топлива с долгоживущими характеристиками качества. 14 если перспективы для квазиаморфного и мелкокристалли^-ческого криослоя вполне просматриваются, то крупнокристаллическая модификация топлива, представляющая наиболее устойчивое его состояние, кажется неподверженной каким-либо структурным изменениям. Вместе с тем рассмотрение этого вопроса является принципиальным по следующим причинам. Любые методы получения гомогенных криослоев с гладкой свободной поверхность«^ по

механическое воздействие, приводящее к деформации образца, стимулирует появление низкотемпературной г.ц.к. - структуры Однако, наличие указанного полиморфного перехода само по себе еце не означает, что поставленная задача может быть решена. Необходимо проведение специальных исследований возможности получения гомогенной низкотемпературной фазы с последующей стабилизацией ее свойств во воем диапазоне существования твердого криослоя. т.е. вплоть до температуры плавления. Достижение именно этого результата открывает возможности формирования криогенных слоев топлива с максимально долгоживущими характеристиками качества.

Исследования, проведенные в работе в этом направлении, принесли ожидаемые результаты в экспериментах с нормальным водородом (n - Hg), сформированным а пояикристаллическкй крупнодисперсный криосяой внутри стеклянной микросферы. Рабочая температура метода была равна 4,2 К. Общее время воздействия на криомишень изменялось в диапазоне от 30 до 60 сек, после чего нагрузка снималась (генерация низкочастотной последовательности звуковых волн). Время полной гомогенизации твердого криослоя водорода составило 150 сек. При определенных условиях последующий отогрев мишени не вызвал обратной конверсии криослоя, т.е. формируемая гомогенная структура устойчиво существовала вплоть до начала ее плавления (есть основания полагать, что полученная модификация твердого водорода представляет собой монокристаллический криосяой, т.е. один из оптимальных вариантов формирования твердого топлива). Отметим, что в работе анализируются и другие варианты объяснения наблюдаемого явления, связанные, например, с процессами самоорганизации

вибрации и удары. Это позволило, с одной стороны, осуществить сравнительную классификацию поведения конденсированных слоев топлива с различной внутренней структурой применительно к условиям лазерного термоядерного эксперимента, а с другой стороны, определить допустимые внешние воздействия на криомишень с целью достижения требуемых параметров качества. Последнее обстоятельство представляется особенно важным, т.к. позволяет выделить те процессы, происходящие в веществе криослоя, которые могут стать основой новых перспективных технологий получения вещества с большим многообразием структурных типов, чем это отражено на соответствующих фазовых диаграммах. (

Экспериментальные и расчетные данные, полученные в диссертации, свидетельствуют о перспективности применения в качестве капсулы, заключающей топливное вещество, оболочек из полистирола, получаемых методом вспенивания, а также мишеней специальной конструкции, содержащих в стенке оболочки тяжелые микропримеси серебра.

Результаты проведенных исследований показывают, что наибольший прогресс при экспериментальном решении задачи формирования качественных криогенных мишеней для Е^ > 30 КДх можно ожидать в следующих направлениях:

1. Создание долгоживуцих квазиаморфных слоев значительной толщины (амортизаторы Аг, Не, Не);

2. Использование явления собирательной рекристаллизации при отогреве мелкокристаллической структуры криослоя в диапазоне температур от 0,5 до Т^ для формирования монокристапотческого слоя топлива.

дизайна в 1,8 раза.

3. Применение оболочек из высокопрочного стекла для исследования возможности формирования криогенных слоев топлива в диапазоне pf>pcrce>l) с помощью метода температурного гра^дие-^нта (жидкий криосяой) и метода обратной сублимации из газовой фазы (аморфный топливный слой).

Публикации.

1. Басов Н.Г., Александрова (Кирсанова) И. В., Данилов А.Б и др. К вопросу о предельной яркости лазеров для ЛТС на неодимовом стекле. Препринт ФИАН 39, 1982. 20с.

2. Alexandrova I. V. , Basov N. G.. Daniiov A.E. et al. The effect of small-scale perturbations on the brightness of laser radiation in laser fusion experiments. Laser and Particle Beams. 1983. v. 1, part 3.241-250.

3. Александрова И. В., Данилов А. Е., Корн Г. и др. Наблюдение рассеяния лазерного излучения на частотах uQ и 2ы0 область» плазмы с плотностью существенно ниже критической. Письма в ЮТФ. 1983. т. 38, вып. 10. 478-481.

4. Басов,Я Г., Юнге К., Александрова И. В. Применение голографических отражающих решеток для диагностики лазерной плазмы при сферическом

нагреве термоядерных мишеней. Препринт ФИАН 90, 1984. 26с.

5. Александрова И. В., Басов И. Г., Данилов А. Е. и др. Предельные

возможности лазерного метода нагрева сферических мишеней. Труды ФИАН. 1985. т. 149. 42-49

6. Александрова И. В., Аллин А. П., Басов Н. Г. и др. Исследование системы лазер-плазма на установке "Дельфин-1". Препринт ФИАН 207. 1984. 44с.

Параметры криогенных мишеней для современного лазерного эксперимента.

Дла Огтоплива • идеальное давление пп, Рь не превосходит 1543аЫ при Тр-ЗООК

Эксперименты выполнены

Физическом институте им. П.Н.Лебедева :

40 аЬп* Р^ 51200 а1т

0.16s@sl.83

Р

© = Пл.

100 300 500 700

Внутренний радиус оболочки, ОДдо)

Одкофазовая жидкая мишень.

р «69Лш/т* П—Ог ТСГ~38.34К

69.8 80 100 120

Начальная плотность газа, рКшв/сга3)

Параметры топлива ■имиI; 11—1 У™ Г

<8» Рг-12аш^/ст3

Э8,34Ка:Т«х>ЗЗК 41.ЭДт 2: Рк > «.3 аПп

® РГ-101.5ш2/етЗ в

38.34К > Тех > 37К 19.!аЬп Ре > 13.7 аЬи

Низкотемпературная деградация прозрачной мелкокристаллической структуры криослоя при нагреве мишени.

А

„4.2К.

-п-Н2-

___5.3К

Твердый слой _£_

.7.3К

'А

_23К

Жидкий слой

Собирательна* рекристаллизацня

Ф В противоположность аморфному слою пороговая температура для такого процесса отсутствует.

В

*

Цитируемая литература. " - •

1. Басов Н. Г., Крохин О.Н. Доклад на заседании Президиума АН СССР, 1961; ШФ. 1964. т. 46, вып. 1. 171.

2. Теория нагрева и сжатия низкоэнтропийных термоядерных мишеней. Труды ФИЛИ 1982. т, 134. 176с.

3. Гамалий Е. Г. , Гуськов С. Ю. , Розанов В. Б. Труды ФИАН. 1085, т. 149. 60.

4. Афанасьев Ю. В. , Волосевич П. П. , Гамалий Е, Г. , Крохин 0. Н. и др, Письма в ЖЭТФ, 1976. т.23, вьга.8. 470.

5. Афанасьев Ю. В. , Гамалий Е. Г. . Гуськов С. Ю. и др. Труды ФИАН 1982. т. 134. 52.

6. Гамалий Е. Г, , Громов А. И. , Исаков А. И. Труды ФИАН. 1977. т. 94. 29.

7. Данилов А. Е., Демченко Н.Н. . Розанов В. Б. и др. КЭ. 1977. т. 4.N5. 1034.

8. Verdon С. P. Report, pres. at the ICF Cryogenic Workshop. General Atomic. San Diego, 1992.

9. Fagaly R. L. , Alexander N. B. , Bittner D.N. et al. Report, pres. at the Amer. Vac. Soc. , 39-th National Symposium. Chicago, 1992.

10. Basov N.G, , Gamaliy E.G. , Krokhin O.N. et al. Laser interectlon and related plasma phenomena N. У. : Plenum press. 1974. 553.

11. Афанасьев Ю. В. , Басов H. Г., Волосевич П. П. и др. Письма в ЖЭХФ. 1975. т. 21. 150. „

12. Бородин В. Г., Мигель В. Г.. Чернов В. Н. Тезисы докладов V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров". Лениздат, 1987. 271.

13. Kato Y. , Mita К. , Miyanaga N. el al. Phys. Rev. Lett. 1984. N53. 1057.

14. Powell H.T . Dixit S.N. and Henesian M.A. ICF Quarterly Report,

1980, v.Sl, 1:394.

31. Va, darajan V. , Kim K. , Bernat T. P. J. Vac. Sci. Technol. 1987. A5C4). 2750.

32. Gram R.Q., Wittman M. D., Iiwnesoete C. J. Vac.Sci. Technol 1989. A8C43. 2547.

33. Mruzek M. T. , Musinski D. I., AnkneyJ.S. J.Appl.Phys. 1988. N7. 2217.

34. Martin A.J,, Simms R.j, and Jacobs R.B. J.Vac.Sci.Techno!. 1888. A8C3). 198S.

35. Foreman L.R. , Hoffer J.K. Nucl.Fusion. 1988. v.28, 1609.

36. Ankey j. S., Musinski D. 1., Felralee W. J. , Pat tinson T. R.

J.Vac.Sci.Technol. 1990. A8C3). 1741,

37. Bernat T.P. , Mapoles E. R. and Satnchez J. (221. p.59.

38. ChenC.M., Norimatsu T. , Tsuda Y., Yamanaka T. and Nakai S. J. Vac.Sci and Technology. 1993. A11C3).

39. Alkesandrova I.V., Koresheva Б. R. and Osipov I.E. Preprint FIAN 57, 1992. 26p.

40. Aleksandrova I. V., Koresheva E.R. and Osipov I.E. J.Moscow Phys.Soc. 1993.N2.

41. Осипов И. E. Автореферат кандидатской диссертации. М.: ФИАН. 1994