Ученые из центра National Ignition Facility в Калифорнии, занимающегося исследованиями в области инерциального термоядерного синтеза, провели эксперименты с новым типом мишеней, в которых слой из замороженной дейтериево-тритиевой смеси был заменен на жидкий аналог. В результате удалось добиться снижения необходимой на нагрев мишени мощности лазерного излучения примерно в два раза и согласования экспериментальных данных с расчетными моделями. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко о ней рассказывается на сайте журнала Physics.

В отличие от квазистационарных систем, где удержание плазмы осуществляется магнитным полем, в инерциальном термоядерном синтезе топливная смесь удерживается в течение короткого времени собственными силами инерции. В NIF для нагрева специальной капсулы или «хольраума» с заключенной в ней сферической мишенью, содержащей топливо, используется энергия 192 лазеров, общая мощность которых оценивается в 500 тераватт. При взаимодействии материала «хольраума» с лазерным импульсом, поверхность мишени испаряется, образует плазменную корону и обжимает холодную середину мишени образующейся ударной волной. В момент максимального сжатия и нагрева в центре начинаются реакции термоядерного синтеза с образованием альфа-частиц, которые дают дополнительный прогрев мишени. В итоге процесс термоядерного горения распространяется из центра мишени к ее периферии. 

Композитное изображение хольраума с потоками лазерного излучения (белые) и пятнами рентгеновского излучения от разогретых стенок хольраума (оранжевые). United States Department of Energy

При этом сферическая мишень, имеющая диаметр всего в 2 мм, является дорогостоящим и сложным элементом. Она состоит из внешнего слоя, поглощающего излучение лазеров и генерирующего ударную волну, который изнутри покрыт слоем замороженной дейтериево-тритиевой смеси, толщиной в 70 мкм. Центральная часть мишени заполнена парами D-T смеси.

До сих пор основной трудностью в экспериментах по инерционному синтезу была и остается асимметрия нагрева мишени рентгеновским излучением, которая не позволяет достичь высоких параметров сжатия и запустить самоподдерживающуюся реакцию. В качестве одного из вариантов решения этой проблемы ученые попробовали заменить слой льда из D-T смеси аналогичным по составу жидким слоем. По задумке физиков, это позволило бы увеличить давление паровтопливной смеси в центральной частимишени и уменьшить влияние асимметриинагрева и неустойчивостей на параметрыплазмы.  Что, в свою очередь, позволило бы получить более горячую и плотную плазму.

Строение сферической мишени с жидким слоем топлива и «хольраума», используемых в описываемых экспериментах в NIF. NIF

В ходе эксперимента внутреннюю поверхность мишени покрывали однородным слоем пористого углеводородного материала низкой плотности (он получил обозначение CH-«пена»), толщиной в 30 мкм, который имеет достаточную прочность, чтобы быть смачиваемым жидкой D-T смесью. Оболочка мишени была сделана из углерода высокой плотности.

В результате удалось добиться уменьшения размеров «горячего пятна» в котором происходят реакции синтеза на 30 процентов и увеличения создаваемого в нем давления плазмы на 40 процентов по сравнению с предыдущими экспериментами. При этом был получен большой выход нейтронов, а мощность, затрачиваемая на нагрев, уменьшилась практически вдвое. 

Вдобавок полученные данные хорошо согласуются с результатами проведенных моделирований. Эти исследования позволят создать новую экспериментальную базу по выявлению зависимости между размерами «горячего пятна» и затратами на его создание, а также новых методов диагностики параметров образующейся плазмы.

Автор: Александр Войтюк