Физика плазмы и инерциальный термоядерный синтез

Газодинамический термоядерный синтез (ГДТС)

ГДТС - исторически первое направление работ по инерциальному термоядерному синтезу. В РФЯЦ-ВНИИЭФ проведены успешные эксперименты по исследованию одной из физических схем ГДТС, в которой обжатие и нагрев термоядерной мишени осуществляются с помощью заряда химического ВВ.

Лазерный термоядерный синтез (ЛТС)

Экспериментальные работы по ЛТС начались в 1972 году по инициативе С. Б. Кормера и Г. А. Кириллова при активной поддержке Ю .Б. Харитона.
В результате активной работы сотрудников института в кооперации со многими учреждениями страны в РФЯЦ-ВНИИЭФ появилось целое семейство мощных моноимпульсных установок "Искра". В 1975 году была создана йодная установка "Искра-3" с выходной мощностью Р ~ 1 ТВт. На ней проводились эксперименты по определению условий самовозбуждения усилителей при постановке термоядерной мишени в фокальную область фокусирующей системы, а также отрабатывались методики диагностики термоядерной плазмы.
В 1979 году начала работу 10-тераватная одноканальная установка "Искра-4" с энергией лазерного импульса E_L до 2 кДж и длительностью τ_L ~ 100–300 пс, на которой сферическая термоядерная мишень освещалась четырьмя лазерными пучками на длине волны 1,315 мкм. В экспериментах на этой установке получен рекордный для России выход термоядерных нейтронов ~ 10⁸ на мишенях прямого облучения (МПО) и ~ 2·10⁹ ДД нейтронов на мишенях типа МОК. В мишенях МОК была достигнута температура ионов ДТ 7 кэВ.

В 1989 году была запущена 12-канальная установка "Искра-5" мощностью 120 ТВт, не имеющая аналогов в Европе и Азии (по мощности ее превосходила лишь установка "Нова" в США). "Искра-5" стала основой экспериментального комплекса, включающего в себя камеру взаимодействия с фокусирующей оптикой и средства диагностики плазмы.
На комплексе, в основном, проводятся исследования с мишенями непрямого облучения. Направления этих исследований: лазерный термоядерный синтез, взаимодействие лазерного излучения с плотной плазмой, физические процессы в горячей и плотной плазме и магнитосферных бурях. На установке также решаются задачи тестирования программ радиационной газовой динамики, разрабатываемых во ВНИИЭФ.
Основные результаты исследований сводятся к следующему:

• в опытах получена рекордно горячая плазма с температурой ионной компоненты ~ 12 кэВ. Нейтронный выход достигал значений ~ 10¹⁰ ДД нейтронов за импульс;
• хорошая и стабильная симметрия рентгеновского излучения в сферическом боксе (при отношении диаметров бокса и мишени около 7) предоставила возможность провести исследования влияния крупномасштабной контролируемой асимметрии на динамику сжатия мишени и нейтронный выход. Асимметрия создавалась нарушением однородности рентгеновского поля на поверхности сферически симметричной стеклянной капсулы.

Проведенное сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами газодинамических расчетов сжатия центральных капсул по программе МИМОЗА-НД, с параметрами мишени и рентгеновского импульса, соответствующими эксперименту, позволяет констатировать качественное и количественное согласие между экспериментальными и расчетными данными в широком диапазоне изменения асимметрии рентгеновского поля. Наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений нейтронного выхода во всем исследованном диапазоне сдвигов.
Эти результаты показывают, что, несмотря на чрезвычайно широкий диапазон изменения характера газодинамического течения, наблюдается удовлетворительное согласие расчетного и экспериментального значений нейтронного выхода и времени сжатия капсулы с DT-газом.

В 1996 году РФЯЦ-ВНИИЭФ выступил с предложением о создании лазерной установки нового поколения с энергией, на порядок превышающей энергию установки "Искра-5". Впоследствии данная установка получила название "УФЛ-2M". Базовый модуль установки "УФЛ-2M" - четырехканальная неодимовая установка "Луч". Установка предназначена для проведения углубленных исследований в широком круге направлений физики высоких плотностей энергии.  
Для исследования лазерного термоядерного синтеза разработаны мишени прямого и непрямого облучения. Мишени прямого облучения представляют собой полую стеклянную или полимерную сферическую оболочку с высокой однородностью толщины, заполненную либо газообразной смесью дейтерий-тритий, либо дейтерием. Диаметр сферы от 200 до 1000 мкм, толщина стенки 0,5–15 мкм, давление газа внутри оболочки 1–100 атм. На внешнюю поверхность сферы может быть нанесено какое-либо покрытие. Мишени непрямого облучения представляют собой мишень прямого облучения, заключенную в сферический или цилиндрический кожух диаметром 1–4 мм из металла с высоким атомным номером.

Мишень для исследования уравнения состояния в лазерных экспериментах представляет собой базовую пластину из алюминия или меди толщиной 40–60 мкм, на одну из сторон которой нанесены в виде ступеньки слои из материала базы и исследуемого материала толщиной 4–10 мкм. Ступеньки отстоят друг от друга на расстоянии 50–100 мкм. Другая сторона мишени, на которую воздействовал лазерный импульс, покрывалась слоем полипараксилилена толщиной 8–10 мкм. Шероховатость поверхности не превышала 80 нм для свинца, 50 нм для алюминия и 10 нм для меди и полипараксилилена.

>

При диагностике лазерного излучения и исследованиях плазмы на мощных лазерных установках ИЛФИ "Искра-5", "Луч" для проведения с субнаносекундным временным разрешением временной, пространственно-временной и спектрально-временной регистрации используются фотохронограф с щелевой разверткой СЭР-4 – для видимого и ближнего ИК-излучения, рентгеновский фотохронограф с щелевой разверткой РФР-4 – для мягкого и сверхмягкого рентгеновского излучения.

Инфракрасный многокадровый фоторегистратор КИТ-3М базируется на полупроводниковой камере ионизационного типа и многокадровой электронно-оптической камере. Области применения: диагностика излучения лазеров ИК диапазона; развитие новых индустриальных технологий с использованием лазерной сварки, резки и закалки металлов; газодинамические исследования (плавление металлов на ударной волне, изучение отколов, изучение динамики ударных волн); дистанционная регистрация динамики тепловых полей тел при ударном и аэродинамическом нагружении; импульсная электродинамика.

Исследование мишеней инерциального термоядерного синтеза на основе тяжелоионного ускорителя

Проблема зажигания термоядерного горючего в системах является одной из ключевых в разработке термоядерного реактора. Для систем на основе тяжелоионного драйвера при традиционном (однопиковом) режиме облучения необходима энергия ионного потока (по представлениям на сегодняшний день) 5–10 МДж (в зависимости от степени оптимизма исследователей). Во ВНИИЭФ предложена оригинальная схема термоядерной мишени с тяжелоионным драйвером и выполнены тщательные расчетные исследования ее параметров. Некоторые физические процессы, протекающие при работе мишени, моделировались в экспериментах на установке "Искра-5". Результаты исследований докладывались на различных международных симпозиумах и конференциях.
Энергия 5–10 МДж является достаточно высокой, поэтому ищутся возможности снижения энергии драйвера и, следовательно, мощности термоядерного импульса. Это можно сделать в режиме быстрого зажигания (fast ignition). В этом режиме первичной порцией энергии драйвера термоядерная область сжимается до высоких плотностей при сравнительно низкой температуре ионов. На второй стадии часть термоядерного горючего разогревается за короткое время мощным импульсом (ионным или лазерным). В разогретой части горючего инициируется термоядерное горение, которое далее должно распространиться на все термоядерное горючее.

Исследования с использованием мощных электрофизических установок

Детальный расчетно-теоретический анализ процессов предварительного нагрева замагниченной ДТ-плазмы в системе МАГО (МАГнитное Обжатие) показал возможность получения температур 0,3 кэВ с временем жизни > 5 мкс, что при условии отсутствия примесей достаточно для проведения первых опытов по адиабатическому дожатию подогретой плазмы с помощью лайнерной технологии для получения второго (основного) пика температуры и достижения термоядерного зажигания в последующих экспериментах. В экспериментах по отработке технологии получения предварительно подогретой плазмы зарегистрирован рекордный нейтронный выход за импульс 5^.10¹³. На установке "Каскад" продемонстрирована принципиальная возможность получения долгоживущей плазмы в камерах МАГО.
Система МАГО по физической схеме занимает промежуточное положение между стационарными системами с магнитным удержанием (ТОКАМАКИ, СТЕЛЛАРАТОРЫ и др.) и импульсными системами с инерционным удержанием.

По сравнению со стационарными системами в МАГО в силу импульсного характера ее работы опасны не все неустойчивости, а только быстро растущие. По сравнению с импульсными установками типа ЛТС, ГДТС в МАГО не требуется больших сжатий (сжатие по радиусу не более десятикратного) и, следовательно, отсутствуют высокие требования к симметрии сжатия ДТ-газа. Недостатком системы МАГО является высокая чувствительность к примесям тяжелых химических элементов, источником которых может быть вещество, смываемое со стенок камеры, и изолятор, испаряющийся на входе в камеру.
Создание системы МАГО не требует дорогостоящих накопителей энергии. Их можно заменить взрывомагнитными генераторами (ВМГ), уже созданными во ВНИИЭФ, что является большим преимуществом этой системы.