БЫСТРОЕ ЗАЖИГАНИЕ ПРИ НАГРЕВЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ МИШЕНИ ИНЕРЦИАЛЬНОГО СИНТЕЗА ИНИЦИИРУЮЩИМ
ПУЧКОМ ИОНОВ
С. Ю. Гуськова'ь* Н. В. Змитренко€, Д. В. Ильин4, В. Е. Шерман4
а Физический институт им. П. П. Лебедева Российской академии паук 119991, Москва, Россия
ьНациональный исследовательский ядерным университет «МИФИ» 115409, Москва, Россия.
'"Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша Российской академии наук
125047, Москва, Россия.
'1 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 195251, Санкт-Петербург, Россия.
Поступила в редакцию о мая 2014 г.
Исследуется зажигание и горение предварительно сжатой мишени лазерного термоядерного синтеза при ее быстром нагреве пучком ионов с образованием максимума температурного распределения в центральной части мишени. Представлены результаты комплексного численного расчета задачи, включающего как составные части: 1) сжатие мишени под действием профилированного лазерного импульса, 2) нагрев сжатой мишени с пространственно-неоднородными распределениями плотности и температуры пучком высокоэнергетичных ионов и 3) горение мишени с начальным пространственным распределением плотности, образованным в момент максимального сжатия мишени, и начальным пространственным распределением температуры, образованным в результате нагрева сжатой мишени ионным пучком. Установлены зависимости пороговых значений энергии зажигающего ионного пучка и коэффициента термоядерного усиления от ширины гауссовского энергетического спектра ионов пучка. Обсуждаются особенности быстрого зажигания ионным пучком, связанные с пространственным распределением параметров мишени, предварительно сжатой под действием лазерного импульса.
DOI: 10.7868/S0044451014110182 1. ВВЕДЕНИЕ
Наиболее серьезные перспективы быстрого зажигания [1, 2] мишени инерциалыгого термоядерного синтеза (I1TС) связаны с развитием концепции быстрого зажигания пучком высокоэнергетичных ионов [1,3 7], применение которой для сферических мишеней не требует использования специальных направляющих каналов для доставки излучения зажигающего драйвера к сжатой части мишени, как это предусматривается в концепциях зажигания пучком быстрых электронов [2] и гидродинамическим потоком вещества [3,8]. Еще одно отличительное досто-
* E-mail: guskov'fflsd.lebedev.ru
инство пучка ионов как зажигающего драйвера состоит в возможности контроля расположения области нагрева внутри мишени за счет эффекта брэг-говского пика и, тем самым, в осуществлении центрального зажигания сжатой мишени. Параметры области зажигания (игнитора) должны удовлетворять известному критерию, который для сферического игнитора состоит в том, что его поверхностная плотность произведение массовой плотности на радиус (pr)ig должна превышать значение 0.2 г/см2 в случае игнитора с изобарным распределением параметров и 0.3 г/см2 в случае игнитора с изохорным распределением, а температура радиационный порог Tig > 5 кэВ.
С современным состоянием исследований в области быстрого ионного зажигания можно ознако-
миться в обзорах [9,10]. Ниже будут кратко перечислены только те результаты исследований, которые относятся непосредственно к теме данной статьи. В уже упомянутых работах, а также в работах [11 15] были рассчитаны энергии пучков протонов и относительно легких ионов [4 7,11 14], а также тяжелых ионов [3,15], соответствующие условиям быстрого зажигания. Для легких ионов эти энергии составляют несколько десятков МэВ на нуклон, для тяжелых несколько сот МэВ на нуклон. По одномерным и двумерным гидродинамическим программам были выполнены численные расчеты горения предварительно сжатых сферических [12,13,16 18] и цилиндрических [3,11,15] мишеней ИТС при быстром зажигании пучками моиоэпергетических быстрых ионов. В этих работах представлена подробная информация по расчету тормозной способности плазмы по отношению к тому или иному виду ионов с заданной начальной энергией, однако обсуждение вопросов формирования пространственного распределения температуры плазмы в области нагрева мишени пучком ионов и влияние характера этого распределения на зажигание не проводилось.
Распределение температуры в области зажигания и само положение этой области внутри мишени определяются особенностями формирования пространственного распределения температуры плазмы, нагреваемой пучком ионов в условиях быстрого зажигания. Тормозная способность плазмы уменьшается по мере ее нагрева до термоядерной температуры, что приводит к различным условиям передачи энергии плазме от различных частей греющего пучка. Это приводит к увеличению размеров области эффективного нагрева плазмы пучком ионов. При этом важнейшим аспектом проблемы является распределение ионов греющего пучка по энергии. Формирование пространственного распределения температуры в области зажигания при нагреве ионным пучком исследовалось в работах [10,14]. Было показано, что для образования температурного максимума в распределении температуры вследствие эффекта Брэгга начальная скорость ионов пучка должна в 3 4 раза превышать тепловую скорость электронов в области нагрева. Это означает, что при нагреве БТ-плазмы начальная удельная (на один нуклон) энергия ионов моноэнергетического пучка должна примерно в (2 3) • 104 раз превышать конечную среднюю температуру в области нагрева. В результате центральное зажигание мишеней ИТС реакторного масштаба, сжатых до плотности, соответствующей параметру рг в диапазоне 3 4 г/см2, оказывается возможным при использовании только относитель-
но тяжелых ионов, начиная с иона углерода. При меньшей начальной энергии ионов формируется либо квазиоднородное распределение температуры, либо распределение с отрицательным (в направлении распространения пучка) градиентом температуры, при которых возможно только краевое зажигание мишени. В работе [19] исследовано влияние на пространственное распределение температуры начального спектра ионов пучка. Показано, что нагрев пучком ионов гауссовского спектра дает возможность образования внутреннего игнитора при дисперсии спектра не превышающей 10 15%. Наличие макс-велловского спектра полностью исключает такую возможность. Нагрев пучком ионов максвелловско-го спектра может обеспечить формирование только краевого игнитора.
Данная работа продолжает исследования работ [10,14,19] и посвящена исследованию зажигания и горения предварительно сжатой мишени ИТС в условиях формирования неоднородного пространственного распределения температуры плазмы в центральной части мишени в результате нагрева мишени ионным пучком с различной шириной начального энергетического спектра частиц. Исследования базируются на результатах комплексного численного моделирования задачи. Численный расчет включал три составные части. На первом этапе по одномерной гидродинамической программе ДИАНА [20] рассчитывалось сжатие мишени под действием профилированного лазерного импульса с учетом поглощения лазерного излучения, всех основных плазменных процессов и реального уравнения состояния. На втором этапе рассчитывался нагрев ионным пучком неоднородной плазмы, состояние которой определялось из результатов первого этапа расчетов на момент максимального сжатия мишени. Расчет проводился по программе БИН [19,21], предназначенной для расчета торможения пучка ионов произвольного спектра в неоднородной неподвижной плазме. На третьем этапе проводился расчет горения мишени от начального состояния, которому соответствовало пространственное распределение плотности, отвечающее моменту максимального сжатия мишени по результатам первого этапа расчетов, и пространственное распределение температуры, рассчитанное на втором этапе расчетов нагрева мишени ионным пучком. Расчет выполнялся по одномерной гидродинамической программе ТЕРА [22], учитывающей все основные плазменные и транспортные процессы, и включал расчет переноса энергии продуктами термоядерных реакций и излучением на основе метода Монте-Карло. В качестве мишени был выбран
1091
13*
один из базовых вариантов мишени быстрого зажигания [23] европейского проекта 1П1'КН [24], направленного на исследование перспективных методов зажигания плазмы с ииерциальиым способом удержания. Влияние начального спектра ионного пучка исследовалось на основе использования гауссовского спектра в пределах изменения разброса частиц по энергии, соответствующего образованию максимума температуры в центральной части рассматриваемой сферической мишени.
Численные расчеты сжатия, быстрого нагрева н горения плазмы сферической мишени выполнены в данной работе с помощью одномерных математических программ. Моделирование быстрого зажигания в двумерной, н тем более, трехмерной постановке задачи является пока нерешенной проблемой па нынешнем этапе развития численных кодов, которые могли бы обеспечить адекватное моделирование переноса быстрых электронов и ионов, а также а-частиц в условиях сложного, неодномерного гидродинамического течения плазмы. В работах, известных нз литературных источников, моделирование быстрого зажигания проводится пока только в одномерном приближении. Разработка двумерных и трехмерных кодов, способных обеспечить адекватное моделирование быстрого зажигания, является весьма трудной, но в высшей степени актуальной задачей, поскольку, согласно всему опыту исследований в области ИТС, развитие гидродинамических неустойчивостей оказывает значительное влияние на симметрию сжатия термоядерной мишени. Несмотря на использование одномерного подхода, данная работа является, тем не менее, важным шагом в моделировании всего комплекса процессов быстрого зажигания мишени инерциалыгого синтеза.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ В УСЛОВИЯХ ГИБРИДНОГО РАСЧЕТА БЫСТРОГО ЗАЖИГАНИЯ ПУЧКОМ ИОНОВ
Численные расчеты горения мишени при быстром зажигании пучком ионов выполнены для мишени, которая была предложена в работе [23] как базовый вариант мишени быстрого зажигания для исследований в рамках европейского проекта HiPER. Проект HiPER посвящен развитию перспективных направлений зажигания плазмы при инерциалыгом способе удержания, таких как быстрое зажигание и зажигание сфокусированной ударной волной (shock ignition) [25,2
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.