ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 11, с. 937-954
ЛАЗЕРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.95
БЫСТРОЕ ЗАЖИГАНИЕ ПРИ ИМПЛОЗИИ ТОНКОЙ ОБОЛОЧКИ НА ПРЕДВАРИТЕЛЬНО СЖАТЫЙ DT-ШАР
© 2012 г. С. Ю. Гуськов, Н. В. Змитренко*
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия * Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва, Россия
e-mail: guskov@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 26.01.2012 г.
Окончательный вариант получен 15.03.2012 г.
Работа посвящена исследованию быстрого зажигания предварительно сжатого термоядерного горючего мишени инерциального синтеза гидродинамическим потоком вещества. С этой целью рассматривается модельная система гидродинамических объектов в виде центрального дейтерий-три-тиевого (DT) шара и концентрической с ним сферической двухслойной оболочки, разделенных вакуумным промежутком. Внешний слой оболочки представляет собой слой аблятора, внутренний — слой DT-льда. Образование зажигающего гидродинамического потока происходит в результате ускорения и сжатия оболочки к центру системы (имплозии) под действием лазерного импульса. Выполнена серия одномерных численных расчетов сжатия оболочки, ее соударения с DT-шаром, генерации и распространения волн термоядерного горения в обеих частях системы. Развиты аналитические модель имплозии тонкой оболочки на центральный шар произвольного радиуса, содержащий однородное вещество заданной плотности, и модель инициирования и распространения термоядерной волны, инициируемой в результате такой имплозии. Приложение полученных результатов к имплозии сегмента сферической оболочки в коническом канале показывает возможность быстрого зажигания сферической мишени инерциального синтеза от конической мишени при воздействии на последнюю лазерного импульса с энергией 500—700 кДж.
ВВЕДЕНИЕ
Один из способов быстрого зажигания [1] мишени инерциального термоядерного синтеза (ИТС) в своей общей формулировке состоит в воздействии на предварительно сжатое термоядерное горючее гидродинамического потока вещества. Первые предложения в этой области [2, 3] состояли в применении для быстрого зажигания хорошо известного метода образования термоядерной плазмы за счет удара ускоренной макрочастицей. Поскольку энергия зажигания термоядерной плазмы уменьшается пропорционально квадрату ее плотности, то для реализации энергетических преимуществ быстрого зажигания термоядерное горючее ИТС-мишени должно быть предварительно сжато, по меньшей мере, до плотности в несколько сотен г/см3. В свою очередь, эффективность ударно-волнового механизма передачи энергии от макрочастицы плотной мишени падает с ростом отношения плотности мишени к плотности макрочастицы. Поэтому, для быстрого зажигания за счет простого удара требуется использование макрочастицы со скоростью, превышающей 2000—3000 км/с. Столь высокие скорости в лабораторных условиях даже при использовании наиболее эффективных лазерных методов ускорения вещества в настоящее время недостижимы.
Важным этапом в развитии методов гидродинамического быстрого зажигания стало предложение, высказанное в работах [4, 5] и состоящее в использовании конического канала для ускорения в нем сегмента (или слоя) сферической оболочки. Однако, по-прежнему, требуемые для зажигания скорости оказывались слишком велики — выше 1000—1500 км/с. В [6] было предложено решить проблему снижения скорости зажигающего гидродинамического потока за счет преобразования конического канала для ускорения макрочастицы в отдельную коническую мишень, в которой происходило бы не только ускорение, но и сжатие вещества гидродинамического потока. Была предложена конфигурация конической мишени, в которой вещество при скорости 300—500 км/с сжималось в результате имплозии на поверхность предварительно сжатого горючего сферической мишени до плотности не менее 30— 50 г/см3, и инициирование горения происходило сначала в самой конической мишени, после чего самоподдерживающаяся волна реакций синтеза распространялась на сферическую ИТС-мишень. Фактически, такая схема представляет собой зажигание одной мишени, сферической, предварительно сжатой и содержащей достаточное количество изотопов водорода для получения значительного выхода термоядерных реакций, от
другой мишени — конической и содержащей минимально необходимое для "поджига" количество ОТ-вещества (рис. 1). Следует отметить, что быстрое зажигание от конической мишени может быть осуществлено в результате имплозии инертной оболочки, не содержащей изотопы водорода, т.е. в отсутствии термоядерного горения оболочки — при первоначальном инициировании термоядерного горения непосредственно в сжатом ОТ-веществе самой ИТС-ми-шени. В этом случае, однако, имплозия конической мишени должна происходить в режиме, который должен обеспечить достаточный запас энергии и более высокую температуру плазмы по сравнению со случаем, когда для зажигания ИТС-мишени используется энергия термоядерного горения оболочки конической мишени.
Данная работа посвящена исследованию энергетической эффективности имплозивного зажигания сферической ИТС-мишени от конической термоядерной мишени. Для того, чтобы выделить процесс имплозивного зажигания в чистом виде (отделить его от пристеночных процессов в конической мишени) рассматривается модельная задача об "имплозии сферической оболочки на центральный шар", т.е. о соударении концентрических разогнанной сходящейся сферической оболочки и центрального покоящегося шара конечного радиуса, содержащего однородное ОТ-вещество заданной плотности (рис. 2). Лазерный импульс постоянной интенсивности облучает внешнюю поверхность оболочки. Оболочка состоит из двух граничащих друг с другом слоев, один из которых — внешний слой-аблятор — состоит из вещества легких элементов (СН-пла-стик, бериллий и т.д.), другой — внутренний слой-игнитор — представляет собой слой ОТ-льда. Оболочка и шар отделены друг от друга вакуумным промежутком. Лазерное излучение, поглощаясь в абляторе, нагревает и испаряет вещество внешней части этого слоя, где формируется, так называемое, абляционное давление, под действи-
ем которого происходит ускорение вещества не-испаренной части аблятора и игнитора внутрь полости. Имплозия оболочки внутрь сферической полости и последующее торможение на шаре сопровождается не только нагревом, но и сжатием игнитора, что является важным фактором эффективности зажигания игнитора и последующего распространения волны горения на DT-шар.
Горение такой системы, конечно, отличается от горения сферического DT-шара при зажигании от конической мишени. Эффективность горения DT-шара при сферическом имплозивном зажигании выше, чем при коническом, поскольку в сферическом случае горение сопровождается кумуляцией сходящейся к центру шара детонационной волны. Однако, динамика зажигания, происходящего в результате распространения квазиплоской термоядерной волны из игнитора оболочки в шар, близка для обеих геометрий имплозивного зажигания. Именно, исследование имплозивного зажигания является основной целью данной работы. Вместе с тем, надо отметить, что задача о детонационной волне, сходящейся к центру, представляет также и самостоятельный интерес, в том числе, для астрофизических приложений.
С точки зрения имплозивного метода формирования зажигающего гидродинамического потока, рассматриваемая задача близка к задаче зажигания мишени инерциального синтеза сфокусированной ударной волной ("shock ignition") [7]. Зажигание сфокусированной ударной волной состоит в использовании профилированного лазерного импульса, интенсивность которого возрастает со временем. Фактически, такой импульс состоит из двух частей: первая часть импульса наносекундной длительности используется для предварительного сжатия мишени, в то время как вторая часть импульса с длительностью в несколько сот пикосекунд — для генерации сильной ударной волны, сходящейся к центру мишени и формирующей область зажигания.
Вообще говоря, зажигание сфокусированной ударной волной не относится к методам быстрого зажигания, а представляет собой разновидность искрового зажигания под действием профилированного импульса. Быстрое зажигание предполагает радикальное разделение процессов сжатия мишени и образования области зажигания. При этом на стадии инициирования горения энергия, поступающая в мишень, тратиться непосредственно на нагрев области зажигания, тогда как зажигающая ударная волна прежде, чем она нагреет центральную область зажигания, передает (по мере своего схождения к центру) большую часть своей энергии периферийным областям термоядерного горючего. Это обстоятельство является причиной того, что быстрое зажигание способно обеспечить больший коэффициент усиления мишени инерциального синтеза, чем зажигание сфокусированной ударной волной, поскольку энергетическая эффективность генерации зажигающей ударной волны не превосходит энергетическую эффективность формирования драйверов быстрого зажигания. Эффективность передачи энергии лазерного импульса ударной волне не превосходит 10—15% [7]. Та же эффективность соответствует формированию гидродинамического потока в схеме быстрого зажигания. Для двух других драйверов быстрого зажигания, связанных с лазерным воздействием — пучков быстрых электронов [8] и ионов [9, 10] из лазерной плазмы — эта эффективность может составить соответственно 30 и 10—20%. КПД формирования пучка ионов в ускорителе может, вообще, составить 50% [1]. Тем не менее, зажигание сфокусированной ударной волной рассматривается в настоящее время как весьма перспективный метод, поскольку для его реализации требуется использование одного лазерного импульса, хотя и профилированной формы.
Данная работа построена следующим образом. В 1 разд. сформулирован критерий имплозивного зажигания ЭТ-шара в виде требований к значениям температуры и поверхностной плотности игнитора (произведения плотности на толщину ЭТ-слоя) оболочки в зависимости от отношения заданной плотности шара и плотности игнитора, которую он приобретает в результате имплозии оболочки. Во 2 разд. развита модель имплозии тонкой двухслойной оболочки, ускоряемой под действием лазерного импульса, на центральный шар конечного радиус
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.