СЖАТИЕ И ГОРЕНИЕ НЕКРИОГЕННЫХ МИШЕНЕЙ ИНЕРЦИАЛЬНОГО СИНТЕЗА С ТВЕРДЫМ ТЕРМОЯДЕРНЫМ ТОПЛИВОМ
С. Ю. Гуськов"*, Н. В. Змитренкоь, В. Е. Шерманс
а Физический институт им. П. П. Лебедева Российской академии паук 119991, Москва, Россия
ъ Институт прикладной математики им.. М. Б. Келдыша Российской академии наук
125047, Москва, Россия
€ Санкт-Петербургский политехнический государственный университет 195251, Санкт-Петербург, Россия.
Поступила в редакцию 20 августа 2012 г.
Предлагаются варианты мишени инерциального синтеза с твердым термоядерным топливом в виде дейтерий-тритиевых гидридов легких металлов. Представлены результаты исследования сжатия некриогенных мишеней с твердым термоядерным топливом под действием лазерного импульса, зажигания и горения таких мишеней. На основании численных расчетов показано, что, несмотря на снижение калорийности топлива и увеличение потерь энергии на собственное излучение в мишени, содержащей дейтерий-тритиевые гидриды легких металлов, по сравнению с мишенью, содержащей дейтерий-тритиевый лед, некриогенная мишень способна обеспечить коэффициент термоядерного усиления, достаточный для ее использования в энергетическом цикле термоядерной электростанции на основе инерциального способа удержания плазмы.
DOI: 10.7868/S0044451013040162 1. ВВЕДЕНИЕ
Одной из сложных и дорогостоящих технологических позиций инерциального термоядерного синтеза является изготовление криогенных мишеней, содержащих термоядерное горючее в виде дейте-рий-тритиевого (DT) льда, доставка и позиционирование таких мишеней в камере взаимодействия реактора. Поэтому поиск возможностей использования некриогенного термоядерного горючего в виде твердых химических соединений изотопов водорода с инертными элементами на основе исследования физики их сжатия и горения является актуальной задачей, несмотря на снижение калорийности такого горючего по сравнению с DT-льдом. В работах [1,2] было предложено использовать в качестве твердого некриогенного горючего мишеней инерциального синтеза химические соединения
* E-mail: guskov'fflsd.lebedev.ru
с максимальным содержанием изотопов водорода при минимальном молекулярном весе, какими являются дейтерий-тритиевые гидриды легких металлов: ВТ-гидрид бериллия ВеВТ и смешанные гидриды 1л2ВсВ2Т2 и 1Л2ВС2В3Т3. Предлагалось использовать указанные материалы в качестве горючего в мишенях инерциального термоядерного синтеза при быстром зажигании [3,4] и зажигании сфокусированной ударной волной [5,6], а также в ми-шеии-геиераторе нейтронов при обычном искровом зажигании в гибридном (синтез деление) ядерном реакторе [7]. Среди перечисленных соединений наилучшими свойствами термоядерного горючего обладает ВТ-гидрид бериллия. Это соединение отвечает наибольшей концентрации изотопов водорода и наименьшим потерям энергии из-за собственного излучения образующейся плазмы по сравнению со смешанными гидридами.
Наиболее перспективным является использование твердого некриогенного горючего в мишенях быстрого зажигания. Как известно, метод быстрого
зажигания состоит в разделении процессов сжатия и нагрева плазмы за счет использования двух различных, но синхронизованных по времени действия энергетических драйверов [3]. Один из них (лазерный импульс, импульс рентгеновского излучения, пучок тяжелых ионов) для первоначального сжатия мишени, а другой (пучок релятивистских электронов, пучок легких или тяжелых ионов) для нагрева и зажигания сжатого термоядерного горючего. В работах [1,2] рассматривалась модельная задача о горении сферического изохорного BeDT-niapa с заданными плотностью р и радиусом R, при этом определен коэффициент термоядерного усиления по отношению к внутренней энергии плазмы Gp = Еihn/Ер (Eihn выделившаяся термоядерная энергия, Ер начальная энергия горючего) при быстром зажигании. Центральная область шара (область зажигания) радиуса Rig была однородно нагрета до температуры Остальная часть горючего при Rig < г < R находилась в состоянии полностью вырожденного электронного газа. Установленные в работах [1,2] условия зажигания BcDT-горючего оказались, естественно, значительно более энергозатратными по сравнению с условиями зажигания эквимолярной DT-смеси. Температура и рД-параметр зажигания BcDT-горючего составили значения = 12 15 кэВ и pRig = = 1.2 1.5 г/см2, соответственно в 1.2 1.5 раза и 4 5 раз более высокие, чем при зажигании изохорной DT-плазмы (Tig = 7 МкэВиpRig « 0.3 0.35г/см2).
Энергия зажигания мишени инерциалыгого синтеза увеличивается с ростом pRig-параметра по кубическому закону и уменьшается с ростом плотности по квадратичному закону: Eig ос {pRig)3/р2■ Поэтому для хотя бы частичной компенсации 100-кратного роста энергии зажигания BeDT-плаз-мы по сравнению с DT-плазмой за счет роста pR ig-параметра мишень быстрого зажигания с BeDT-горючпм должна быть сжата до более высокой плотности, чем мишень с DT-горючим. Выгорание изотопов водорода в реакциях синтеза определяется значением рД-параметра всей области горения. Для DT-плазмы выгорание составляет [8] д « pR/(pR. + 6.5), если pR. измеряется в г/см2. Для 30 %-го выгорания в случае DT-плазмы pR-параметр должен составлять 2.5 3 г/см2, в случае BeDT-плазмы величину, большую в отношение молекулярных весов, т. е. 6 7 г/см2. Исследования модельной задачи, выполненные в работах [1,2], показали, что быстрое зажигание BeDT-плазмы с плотностью и рД-параметром, превышающими соответственно значения р = 700 г/см3 и
pR = 5 г/см2, может обеспечить коэффициент усиления Gp, превышающий 500, в приемлемом диапазоне энергии зажигания 100 200 кДж. На основе результатов работ [1,2] можно сделать позитивное заключение о потенциальных возможностях использования дейтерий-тритиевых гидридов легких металлов в качестве твердого термоядерного горючего мишеней инерциалыгого синтеза. Однако обоснованное заключение о перспективах энергетики инерциалыгого синтеза на основе некриогенного термоядерного топлива может быть дано на основании решения полной задачи о сжатии и горении мишени с такого рода топливом, итоговый результат которого должен состоять в расчете коэффициента термоядерного усиления G = Eihn/Ed по отношению ко всей энергии, затраченной на создание плазмы Ed.
Данная работа посвящена решению этой задачи применительно к лазерному термоядерному синтезу. В качестве конкретного варианта некриогенной мишени быстрого зажигания предложена мишень в виде полой однослойной оболочки, материалом которой служит DT-гидрид бериллия. На основании полного цикла численного моделирования, который включал как расчет сжатия такой мишени под действием лазерного импульса, так и расчет ее горения, установлен диапазон изменения энергии зажигания и зависимость полного коэффициента усиления G от энергии, затраченной на сжатие и зажигание мишени. Исследована роль переноса энергии собственным излучением плазмы и термоядерными нейтронами в процессе инициирования горения и распространения самоподдерживающейся волны термоядерного горения. В разд. 2 обсуждаются основные физические процессы сжатия и горения BcDT-miiihciiii и представлена физико-математическая постановка задач численного моделирования. В разд. 3 анализируются результаты численных расчетов сжатия и горения мишени.
2. ВеБТ-МИШЕНЬ БЫСТРОГО ЗАЖИГАНИЯ
Полая однослойная оболочка, материалом которой служит термоядерное топливо, представляет собой простейший вариант мишени лазерного термоядерного синтеза. Сжатие под действием лазерного импульса и быстрое зажигание криогенной мишени в виде оболочки из ИТ-ль да подробно исследовалось в численных расчетах ряда работ [9 12] в рамках подготовки проекта 1П1'КН [13,14]. Парамет-
771
11*
ры базовой мишени проекта составляют [9]: масса оболочки из БТ-льда около 0.6 мг при ее толщине 200 мкм и внешнем радиусе 1000 мкм. В одномерных расчетах сжатия такой мишени под действием профилированного импульса излучения третьей гармоники N(1-лазера (Л = 0.35 мкм) с энергией около 130 кДж и длительностью около 10 не, выполненных в различных постановках, были получены значения объемной и поверхностной плотностей ВТ-плазмы в момент ее максимального сжатия, лежащие, соответственно, в диапазонах 500 600 г/см3 и 1.3 1.5 г/см2 [9 12]. В одномерных расчетах горения, в которых центральной области сжатой мишени с поверхностной плотностью 0.3 0.4 г/см2 сообщалась дополнительная энергия 15 30 кДж, были достигнуты коэффициенты усиления С = 50 70 [9,10].
В однослойной оболочке слой термоядерного горючего выполняет еще и функцию аблятора, ответственного за поглощение лазерного излучения и формирование давления, ускоряющего и сжимающего пеиспарепиую часть мишени к центру. Для минимизации потерь энергии на собственное излучение плазмы, которая образуется во внешней части аблятора, нагретой лазерным излучением, материал аблятора мишени прямого облучения должен состоять из вещества легких элементов. ВТ-лед и гидриды легких металлов удовлетворяют этому требованию в наилучшей степени. Основными параметрами однослойной оболочки, определяющими эффективность процессов абляции и сжатия мишени, являются плотность материала оболочки и ас-пектиое отношение отношение радиуса к толщине оболочки. Конечная скорость оболочки и гидродинамическая эффективность сжатия отношение кинетической энергии оболочки к энергии поглощенного лазерного излучения определяются параметром ускорения а = рс,.До/Ра Д(ъ где Ра- ~ « 1.8 • Ю-3 А) 2А2 г/см3 критическая плотность плазмы (плотность, отвечающая равенству плазменной частоты и частоты воздействующего лазерного излучения), А длина волны лазерного излучения, А и 2 соответственно атомный вес и заряд ионов плазмы, До, До и ра начальные значения соответственно радиуса, толщины и плотности оболочки. Параметр о. представляет собой отношение поверхностной плотности в области, где происходит поглощение большей части лазерного излучения, к начальной поверхностной плотности оболочки.
При значениях параметра а < 1, отвечающих относительно небольшим значениям аспектного отношения До/До < 20 30, приемлемым с точки зрения устойчивости сжатия оболочки, конечная скорость
оболочки и гидродинамичес
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.