Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, доктор физико-математических наук Корешева, Елена Ростиславовна

• Корешева, Елена Ростиславовна
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Корешева, Елена Ростиславовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПРОБЛЕМ ИТС В ОБЛАСТИ

ФОРМИРОВАНИЯ И ДОСТАВКИ ТОПЛИВНЫХ МИШЕНЕЙ.

1. Условия реализации ИТС с положительным выходом энергии.

2. Структура топливной мишени для различных схем ИТС.

2.1. Мишень для прямого облучения.

2.2. Мишень для прямого зажигания.

2.3. Мишень для непрямого облучения.

2.4. Критерии качества мишени, необходимые для реализации идеи инерциального термоядерного синтеза.

3. Проблема сохранения качества криогенного слоя при доставке мишеней.

4. Проблема минимизации количества радиоактивного трития в БТ-смеси.

5. Методы формирования криогенного слоя внутри полой сферической оболочки.

5.1. Криогенные мишени для установок с энергией лазера Ел < 1 кДж.

5.2. Криогенные мишени для мощных лазерных установок и реактора.

5.3. Способы повышения прочности и температурной стойкости криогенного слоя

6. Перспективные задачи в программе ИТС.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МИКРОСФЕР ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ НИЖЕ 300 К.

1. Вводные замечания.

2. Режимы заполнения, хранения и разгерметизации микросфер. ^

2.1.Экспериментальное определение коэффициента газопроницаемости стенки ц полистироловых микросфер при различных температурах.

2.2. Исследование температурной зависимости прочности на разрыв стенки полистироловых микросфер.

3. Процедура заполнения микросфер газом. ^

3.1. Заполнение стеклянных микросфер.

3.2. Заполнение полимерных микросфер.

4. Приготовление газообразных смесей с заданной концентрацией добавки. ^

4.1. Получение смесей с концентрацией добавки >10%

4.2. Получение смесей с концентрацией НО 1-^-10 %.

4.3. Получение смесей с концентрацией НО менее 1%.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Криогенные мишени для инерциального термоядерного синтеза»

Более полувека тому назад перед учеными была поставлена задача использования для практических целей энергии термоядерного синтеза, которая выделяется при слиянии о легких ядер: дейтерия (ТУ) и трития (Т), Э и О, Э и Не и пр. Два основных подхода к решению поставленной задачи, магнитный термоядерный синтез (МТС) и инерциальный термоядерный синтез (ИТС), находятся сейчас на такой стадии развития, когда актуальными проблемами становятся разработка реакторных технологий и построение демонстрационного реактора. Эти исследования ведутся сейчас на основе национальных программ отдельных стран, а также в рамках международных проектов. Один из примеров - "Технический проект ИТЭР" (участники: Россия, Евросоюз, Япония, США, Канада, Корея) — программа построения демонстрационного международного термоядерного реактора, основанного на схеме управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием [1]. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза в рамках МТС имеет ряд неразрешенных проблем, связанных с изоляцией высокотемпературной плазмы от стенок реактора, устойчивостью нагретой водородной плазмы и пр., которые и предполагается решить в проекте ИТЭР.

В США существует долгосрочная программа построения к 2040 г. действующей электростанции на основе ИТС [2]. В программе предполагается, что выход на оптимальные технологии произойдет к 2012 г., а демонстрация работы пилотной установки в непрерывном режиме выработки электроэнергии - к 2025 г. Япония, Россия и Европейский Союз также ведут исследования в этом направлении [3-8]. Для снижения общей мировой суммы затрат на подобные исследования, необходима координация исследовательских программ разных стран. С этой целью, в МАГАТЭ, начиная с 2000 г. при участии представителей 11-ти стран (в том числе: США, Япония, России, Германия, Испания, Индия, Южная Корея, Чехия, Венгрия, Польша и Узбекистан) осуществляется работа координационного научно-технического проекта «Элементы конструкции энергетической станции на основе ИТС» [9].

В ИТС, в качестве источника энергии для сжатия и нагрева микроскопической мишени с БТ-топливом до термоядерных температур, применяется специальный драйвер: лазер, источник ионных пучков, 2-пинч. Начало этому подходу положила работа Н.Г.Басова и О.Н.Крохина [10], в которой показана принципиальная возможность применения излучения лазеров для нагрева плазмы до термоядерных температур.

Другим необходимым условием реализации схемы ИТС с положительным выходом энергии является сжатие топлива до высоких плотностей п ~1024-И026 см"' (100-И000 г/см3) [11], что определяется критерием Лоусона для DT-смеси: пт>1014 сек/см3, где т~10~9-И0"" сек - время удержания сжатой плазмы в схеме ИТС. Исследования по оптимизации условий взаимодействия пары драйвер-мишень для получения наилучших условий сжатия, горения и разлета топлива проведены в большом числе теоретических работ российских и зарубежных ученых (см., например, [12-19]).

В настоящее время рассматриваются три возможные схемы облучения мишени светом лазера: прямое облучение, непрямое (или рентгеновское) облучение и прямое зажигание (или быстрый поджиг). Структура и параметры мишени существенно зависят от энергии излучения, а также от схемы взаимодействия пары лазер-мишень, в результате которой достигается высокая плотность сжатия и нагрев DT-топлива. Однако, как видно из Рис.1, конструкции мишеней для каждой из перечисленных схем имеют общий элемент -сферическую капсулу, содержащую DT-топливо. В схеме прямого облучения этот элемент и представляет собой собственно мишень.

Для того, чтобы взаимодействие пары лазер-мишень дало необходимый эффект, топливо должно сжиматься с высокой скоростью и при минимальной энтропии. Поскольку первая ударная волна, движущаяся под действием давления Р через топливо плотностью р, вносит в вещество энтропию порядка s-P/p?3, следует использовать топливо с максимально возможной начальной плотностью, т.е. жидкое или твердое. В оптимальном варианте топливо должно находиться в конденсированном состоянии и представлять собой сферически-симметричный слой (т.н. криогенный слой), покрывающий внутреннюю поверхность сферической капсулы (см. Рис.1).

Требования к качеству криогенного слоя для мишеней прямого облучения являются наиболее жесткими: однородность по массе, сферичность и концентричность лучше, чем 2%, возмущения свободной поверхности <0.1 мкм [20,21]. Получение криогенного слоя, удовлетворяющего данным критериям качества, является одной из важнейших задач технологии изготовления мишеней. а) (61 (в)

Рис. I. Топливные мишени для трех концепций облучения: (а) прямое облучение, (б) непрямое или рентгеновское облучение, (в) прямой поджиг

Внутренний радиус оболочки, мм

Рис.2. Параметры криогенного слоя в.мишенях, предназначенных для прямого облучения на мощных лазерных установках и в реакторе ИТС

Предполагается, что экспериментальная демонстрация термоядерного поджига, горения и положительного выхода энергии будет достигнута к 2010-2015 гг. на строящихся установках с энергией лазера от 0.3 МДж (ИСКРА-6, Россия) до 1.8 МДж (NIF, США и LMJ, Франция) [4,23,24], а также на установке FIREX (Япония), предназначенной для демонстрации термоядерного горения в схеме прямого поджига [3]. Чтобы нагреть 1 мг топлива до термоядерной температуры (10 кэВ) требуется затратить примерно 1200 МДж, а для сжатия этого количества топлива до плотности, необходимой для поджига по схеме ИТС (~100-И000 г/см3) необходимо всего около 7.5-^35.0 МДж*, вот почему схема абляционного сжатия оболочечных мишеней является наиболее энергетически выгодной. Параметры криогенного слоя в мишенях, предназначенных для прямого облучения на лазерных установках с различной энергией и в реакторе ИТС, показаны на Рис.2 (по данным [20,25-29]). Скейлинговые эксперименты на мишенях прямого облучения меньшего размера, содержащих до 0.03-0.05 мг дейтерия (D2) или DT-топлива, сейчас осуществляются на действующей лазерной установке OMEGA (30 кДж) [29].

Как видно из Рис. 2, количество топлива в мишени для мощных установок и реактора таково, что при комнатной температуре его давление внутри мишени достигает Значение энергии, необходимой для сжатия холодной (Ферми-вырожденной) ОТ

7 2/3 смеси до плотностей р ~ 100-1000 г/см , можно оценить из соотношения Ес=0.35ар , где а представляет собой степень вырождения холодного топлива. от ~100 до 1000 атм. Очевидно, что такое давление просто разорвет топливную капсулу, сделанную из пластика. Единственная возможность сохранить микросферу целой это сконденсировать топливо внутри нее. Разрушения капсулы не произойдет, поскольку давление насыщенных паров над поверхностью конденсата достаточно мало: ~ 0.19 атм у ЭТ-смеси и -0.17 атм у Ог (данные для тройной точки).

Таким образом, использование топлива в конденсированном состоянии не только обеспечивает оптимальный режим сжатия мишени, но и является единственной практической возможностью реализации современного лазерного эксперимента. В этом смысле актуальность задачи создания криогенных мишеней требуемого качества трудно переоценить. Разработка методов формирования толстого криогенного слоя (толщиной >20 мкм) интенсивно ведется в лабораториях США, Японии и России.

Необходимость непрерывной подачи мишеней в зону термоядерного горения с частотой ~ 1-й 0 Гц (лазерный и ионный драйвер) или 0.1 Гц (2-пинч) является одной из критических проблем при построении энергетической станции на основе ИТС [20,30]. Чтобы выполнить это требование, количество мишеней, изготовленных в течение суток, должно достигать, в среднем, ~500000 штук. Кроме того, необходимо создать криогенный инжектор, способный работать при Т<18 К с необходимой частотой и делать до ~500000 выстрелов в сутки. Поскольку первые реакторы ИТС будут работать на основе радиоактивной ОТ-смеси, в соответствии с правилами радиационной безопасности, все подсистемы реактора должны функционировать в условиях с минимальным расходом трития.

К сожалению, из всех фундаментальных вопросов, касающихся энергии термоядерного синтеза, массовое производство топливных мишеней менее всего изучено и экспериментально не продемонстрировано к настоящему времени. Это связано с тем, что предыдущий опыт проведения экспериментов на установках ИТС позволял работать с мишенью, заранее размещенной в зоне облучения на специальном подвесе [31-34]. Данный факт привел к развитию технологий «штучного» производства мишеней, причем формирование криогенного слоя проводилось непосредственно перед моментом облучения, когда этап доставки криогенной мишени исключен.

Есть и другие проблемы, препятствующие применению существующих методов в реакторных технологиях. Дело в том, что традиционные методы изготовления термоядерных мишеней с толстым слоем из твердого дейтерия или ОТ-смеси (толщиной 20-150 мкм) связаны с получением этих веществ в термодинамически равновесном кристаллическом состоянии. Для достижения такого состояния (с требуемым качеством поверхности) необходимо очень медленное охлаждение микросферы, заполненной изотопом водорода, в изотермическом внешнем температурном поле. Несмотря на высокое качество слоя, формируемого внутри мишени, недостатки, свойственные этому подходу, ставят под сомнение перспективу его дальнейшего применения в технологии криогенных мишеней для мощных лазерных установок и реактора. К недостаткам относятся [35-39]:

- Длительное время формирования. Характерная временная константа симметризации слоя составляет 5-8 часов, полное время формирования (до значения разнотолщинности Ии< 2%) составляет около 24-х часов. Это приводит, во-первых, к появлению большого количества пузырьковых дефектов в структуре слоя (из-за выделения Не при р-распаде трития) и, как следствие, к снижению его прочности и однородности, а, во-вторых, к нарушению требования о минимизации содержания трития в системах ИТС.

- Эффект разделения компонентов топливной смеси. Поскольку БТ-топливо в равновесии представляет собой смесь трех компонент (~26%02/26%Т2/48%0Т) с различным давлением насыщенных паров при заданной температуре, то в процессе длительного формирования смесь разделяется на компоненты (ввиду ректификации и термодиффузии), что приводит к разномассовости слоя, т.е. к снижению эффективности сжатия полученной мишени.

- Ограниченная температурная область существования. При снижении температуры однородного прозрачного кристаллического слоя всего на 0.3-1.5 градуса ниже тройной точки изотопа, твердый слой растрескивается. Таким образом, в процессе доставки мишень не должна изменять свою температуру, а это практически невозможно реализовать, особенно при полете мишени в камере реактора.

Задача доставки криогенного топлива с необходимой частотой решается инжекционным, бесконтактным методом. Традиционный подход - применение пневматического инжектора [40-43]. Техническое решение стыковки таких элементов как модуль формирования/инжектор и инжектор/камера реактора здесь трудно достижимо, поскольку необходимо избежать загрязнения внутренних объемов и, в особенности, объема камеры, посторонним (ускоряющим) газом. Существенного упрощения проблемы стыковки можно добиться, если для ускорения мишеней применить электромагнитный инжектор с вакуумированным внутренним объемом. Поэтому, актуальной задачей является исследование возможности применения этого инжектора в системе доставки.

Экспертиза, проведенная в 2004 г. в рамках координационного научного проекта МАГАТЭ «Элементы конструкции энергетической станции на основе ИТС», позволила определить весь спектр актуальных проблем в технологии и доставке топливных мишеней, решение которых позволит значительно продвинуть идею термоядерной энергетики на основе ИТС к ее реальному воплощению [44]. Проблемы следующие:

1. Разработка и реализация научных основ технологии массового производства ^ незакрепленных мишеней, содержащих криогенный слой требуемого качества

2. Сохранение параметров криогенного слоя в процессе доставки мишени

3. Доставка мишеней в зону горения с требуемой частотой

4. Быстрый контроль параметров мишени

5. Контроль и управление траекторией движения мишени

6. Стыковка элементов: модуль формирования/инжектор, инжектор/камера реактора.

В отличие от других научных коллективов, в Физическом институте им. П.Н Лебедева РАН (ФИАН), начиная с 1983 года и по настоящее время, при участии автора, развивались подходы к работе с движущимися незакрепленными мишенями, которые получили название «технологии FST» (FST — аббревиатура от free-standing target, что в переводе с английского означает: незакрепленная мишень). В том числе были исследованы возможности инжекционной доставки мишеней при криогенных температурах, способы работы с массивом незакрепленных мишеней на стадиях заполнения газом и формирования слоя, а также методы формирования криогенного слоя внутри незакрепленных движущихся микросфер., Постоянную поддержку в к проведении и расширении этих исследований оказывали академик О.Н.Крохин, проф. А.И.Исаков, д.ф.м.н. Ю.А.Меркульев. Основные результаты получены автором совместно с к.ф.м.н. И.Е.Осиповым и к.ф.м.н. И.В.Александровой (Лаборатория Термоядерных Мишеней, ФИАН). Ряд исследований проведен совместно с другими творческими коллективами, в том числе со специалистами из ОКРФ, Нейтронно-Физического и Криогенного Отделов ФИАН (к.ф.м.н. А.И.Никитенко, С.М.Толоконников, ЕЛ.Кошелев, к.ф.м.н. Т.П.Тимашева, к.ф.м.н. А.И.Громов, В.И.Щербаков, В.М.Дороготовцев, А.А.Акунец, В.Ф.Троицкий и др.), ФГУП «Красная Звезда» (к.т.н. Г.Д.Баранов, к.т.н. И.Д.Тимофеев, В.ИЛистратов, Г.С.Усачев и др.), МГУ (проф. А.А.Белолипецкий, проф. Л.С.Ягужинский, к.ф.м.н. В.С.Парбузин, Е.А.Писарницкая, А.А.Тонынин и др.), СПбГПУ (проф.Б.В.Кутеев, к.ф.м.н. Г.В.Капралов), ГНЦ РФ ВНИИНМ им.А.А.Бочвара (к.ф.м.н. Н.Н.Рязанцева, Л.А.Ривкис, и др.) В наших исследованиях использовались микросферы из стекла, лавсана и полистирола (с покрытиями и без них; диапазон диаметров от 200 до 1800 мкм), созданные под руководством д.ф.м.н. Ю.А.Меркульева и при участии коллектива Лаборатории Термоядерных Мишеней, ФИАН [^5"]

В настоящей диссертации найдены оригинальные решения ряда перечисленных выше актуальных проблем, которые позволяют избежать недостатков, свойственных традиционным методам формирования и доставки. Эти решения основаны на опыте работы с незакрепленными мишенями, накопленном в ФИАН более чем за 20-ти летний период исследований.

Другая особенность нашего подхода к формированию криогенной мишени заключается в получении криогенного слоя в особом, высокодисперсном, состоянии с размером зерна, меньшим, чем допустимая шероховатость свободной поверхности слоя. Поскольку в данном состоянии материал представляет собой изотропную среду, это позволяет избежать условий деградации и разрушения слоя, связанных с анизотропией таких свойств кристаллических водородов как прочность и теплопроводность. Отметим, что в данной работе мы понимаем под высокодисперсным состоянием изотропное состояние вещества с размером кристаллических образований (кластеров, зерен) с!<0.1 мкм, среди которых, в соответствии с обзорной работой [^5], мы выделяем три основные подвида: (1) мелкозернистые поликристаллические (150А<ё<0.1 мкм), (2) нано-кристаллические (50 А<с1<150 А) и (3) аморфные (с!<30-50 А) состояния.

Целью работы являлось формулировка, теоретическое и экспериментальное обоснование нового подхода к получению криогенных лазерных мишеней с устойчивым слоем из твердых изотопов водорода, а также разработка научных основ новой технологии непрерывного формирования криогенных мишеней с гладким равнотолщинным твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых нагрузок, возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зону лазерного облучения.

Для решения этой задачи было выполнено следующее:

1. Исследованы особенности образования криогенного слоя с различной микроструктурой, изучены процессы старения слоя, а также закономерности искажения его качества (появление шероховатости и разнотолщинности). Найдено такое структурное состояние твердых изотопов водорода, которое позволяет получить устойчивый криогенный слой. Исследованы процессы симметризации и отверждения жидкого слоя из изотопа водорода, находящегося внутри незакрепленой движущейся микросферы.

2. С целью получения и исследования устойчивости твердого слоя с различной микроструктурой, разработаны новые оригинальные методы воздействия на изотопы водорода, находящиеся внутри замкнутой микросферы, методы контроля за их состоянием, а также созданы средства для практической реализации этих методов (комплекс лабораторных установок и устройств).

3. Исследованы процессы газопроницаемости и разрушения стенки микросфер при температурах ниже 300 К с целью оптимизации условий заполнения микросфер газообразными изотопами водорода или смесью газов, а также хранения и транспорта заполненных микросфер в зону формирования внутри них криогенного слоя. 4. Исследован круг вопросов, связанных с задачей непрерывной доставки термоядерных мишеней в зону облучения (горения), в том числе: исследован процесс ускорения капсулы-носителя мишени в электромагнитном поле соленоида при криогенных температурах найдено техническое решение для устройства стыковки модуля формирования и инжектора разработана система контроля скорости и траектории движения мишени, позволяющая синхронизовать приход в зону облучения мишени и лазерного излучения.

В результате этих исследований, получены следующие основные результаты.

Внутри замкнутых микросфер сформированы криогенные слои из твердых изотопов водорода, при вариации таких внешних факторов, как скорость охлаждения, введение специальных добавок, периодическое механическое воздействие (вибрации). Экспериментально доказано, что присутствие определенных добавок (например, более высокоплавких изотопов водорода или неона) при скоростях охлаждения смеси >10-50 К/сек способствует получению устойчивого прозрачного твердого криогенного слоя, который не рекристаллизуется при нескольких циклах нагрева-охлаждения в диапазоне от 5 К до тройной точки изотопа. Показано, что другим необходимым условием образования устойчивого слоя является инициация процесса капельной конденсации в объеме микросферы, который способствует равномерному распределению добавки по объему смеси.

Определены условия получения равнотолщинного твердого слоя топлива внутри незакрепленных микросфер. К ним относятся: (1) охлаждение микросферы с первоначально жидким криогенным слоем при теплоотводе через пятно контакта, (2) беспорядочное вращение микросферы в процессе охлаждения.

Разработан оригинальный способ формирования устойчивого прозрачного равнотолщинного твердого слоя из изотопов водорода, внутри незакрепленных микросфер движущихся в трубчатом вакуумном канале с охлажденными стенками. Проведена успешная демонстрация нового метода на дейтерии с добавкой 20% неона, в результате которой внутри микросфер диаметром 1.5-И .8 мм сформирован прозрачный сферически-симметричный устойчивый твердый слой толщиной до 51 мкм. Время формирования составило не более 15 сек. Экспериментальные результаты температурной эволюции слоя свидетельствуют о его аморфной природе.

Теоретически показано: чтобы свести к минимуму скорость роста возмущений слоя (шероховатость, разнотолщинность) в процессе нагрева мишени необходимо, чтобы твердый криогенный слой находился полностью в изотропном состоянии. Это значит, что криогенные мишени, содержащие сферически-симметричный устойчивый высокодисперсный (аморфный) твердый слой, могут быть доставлены в зону лазерного облучения без нарушения качества слоя. Высокая прочность изотропного вещества по сравнению с его кристаллическим аналогом (о чем говорилось выше), является дополнительным преимуществом высокодисперсного криогенного слоя при решении задачи доставки мишени в зону облучения.

Практическое применение нового метода формирования в технологии изготовления термоядерных мишеней позволит избавиться от основных недостатков методов формирования, существующих в мире в настоящее время — длительное время формирования, большая вероятность разделения топливной смеси в процессе симметризации слоя, ограниченная область температурного существования слоя, - и обеспечить эксперименты на мощных лазерных установках мишенями с устойчивыми параметрами качества.

Экспериментально исследована зависимость коэффициента газопроницаемости для Бг и прочности на разрыв стенки микросфер из полистирола при криогенных температурах. Эти результаты позволили определить температурную область, в которой возможно осуществить хранение, разгерметизацию и/или транспортировку газонаполненной микросферы в модуль формирования без разрушения.

Результаты экспериментов по ускорению ферромагнитной капсулы-носителя впервые показали возможность использования электромагнитного инжектора при криогенных температурах. Результаты численных расчетов показали, что для ускорения в электромагнитном инжекторе наиболее эффективным является использование капсулы из магнитодиэлектрика.

Полученные результаты позволили сформулировать физическую концепцию новой технологии непрерывного формирования и инжекционной доставки незакрепленных криогенных топливных мишеней в камеру экспериментальной установки ИТС или реактора. Данная концепция реализована в конкретном техническом решении устройства интеграции модуля формирования и электромагнитного инжектора, в котором достигается непрерывное производство незакрепленных криогенных мишеней, их сборка с капсулами и последовательное ускорение капсул с мишенями в электромагнитном инжекторе. Работа отдельных элементов данного устройства, таких как модуль формирования, системы электромагнитного и гравитационного ввода мишеней, а также система диагностики скорости и траектории инжектированной мишени, испытана на макетах в условиях, близких к рабочим.

Экспериментальные и теоретические результаты, полученные в диссертации, являются надежной научной и технологической базой для создания прототипа фабрики криогенных мишеней. Создание прототипа позволит исследовать ключевые проблемы, связанные с непрерывным производством и доставкой мишеней в реактор. Интеграция прототипа с лазерной системой (пусть мало-мощной), генерирующей импульсы излучения с частотой 1-10 Гц, позволит впервые в мире создать действующую модель реактора и продемонстрировать возможность синхронного взаимодействия лазер-мишень с требуемой частотой. Прототип сможет работать также и в однократном режиме, что позволит использовать его для доставки криогенных мишеней в фокус экспериментальной многопучковой установки ИТС.

Мишени нового класса, содержащие криогенный слой в высокодисперсном состоянии, полезны для фундаментальных исследований в области уравнения состояния вещества, а также в исследованиях, связанных с созданием металлического водорода с помощью всестороннего сжатия вещества по схеме ИТС. Программа таких исследований реализуется, в частности, на установке ОЕККО-ХН. В настоящее время обсуждается возможность проведения совместных российско-японских исследований в области создания твердоводородного слоя с размером кристаллических зерен менее 0.1 мкм, а также конструирование специализированного криостата для ввода высокодисперсного водородного слоя в фокус лазерной установки ОЕККО-ХН.

Диссертация состоит из введения, семи теоретических и экспериментальных глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Корешева, Елена Ростиславовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ)

Проведен цикл исследований, охватывающий все ключевые проблемы, касающиеся криогенных термоядерных мишеней с твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых нагрузок, возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зону облучения мощной лазерной установки и реактора инерциального термоядерного синтеза. Получены следующие основные результаты:

1. Впервые создано и исследовано устойчивое высокодисперсное состояние твердых изотопов водорода. Найдены условия получения прозрачного криогенного слоя из твердых изотопов водорода в устойчивом высокодисперсном состоянии, которое не рекристаллизуется при нескольких циклах нагрева-охлаждения в диапазоне от 5 К до тройной точки изотопа.

2. Разработан оригинальный способ формирования устойчивого твердого слоя из изотопов водорода внутри незакрепленных микросфер, движущихся в вакуумном канале с охлажденными стенками, который сочетает условия симметризации слоя и условия его получения в устойчивом изотропном высокодисперсном состоянии.

3. В незакрепленных микросферах получен прозрачный сферически-симметричный гладкий твердый криогенный слой из изотопов водорода, отличающийся устойчивостью к циклической термообработке в пределах от 5 К до тройной точки изотопа, что позволяет осуществлять доставку криогенных мишеней в зону лазерного облучения без разрушения.

4. Создан оригинальный комплекс устройств, обеспечивающих непрерывный процесс формирования криогенных мишеней, их инжекцию и контроль в реальном времени скорости и траектории инжектированных мишеней, а также ввод мишеней в зону облучения синхронно с излучением лазера. Экспериментально получены характеристики работы отдельных элементов комплекса, включая модуль формирования, системы электромагнитного и гравитационного ввода мишеней, а также систему диагностики скорости и траектории инжектированной мишени.

5. При криогенных температурах впервые экспериментально продемонстрировано эффективное ускорение ферромагнитной капсулы-носителя мишени в электромагнитном поле соленоида.

6. Результаты численных расчетов по оптимизации материала капсулы-носителя мишени, показавшие, что капсула из магнитодиэлектрика с коэффициентом заполнения феррочастицами 60-70% может быть ускорена в электромагнитном инжекторе наиболее эффективно.

7. На основании полученных теоретических и экспериментальных результатов разработана новая технология непрерывного формирования криогенных мишеней с равнотолщинным гладким твердым слоем топлива, устойчивым к воздействию механических и тепловых нагрузок, возникающих в процессе инжекционной доставки мишеней в зону лазерного облучения.

Таким образом, достигнута основная цель диссертации: созданы криогенные мишени с устойчивым слоем топлива, что обеспечивает их доставку без разрушения в зону лазерного облучения; создана научная и технологическая база для построения установки непрерывного формирования данных мишеней и их инжекционной доставки без разрушения в фокус мощной лазерной термоядерной установки или демонстрационного прототипа реактора.

Полученные результаты позволяют

1) Осуществлять эксперименты на мощных лазерных установках в условиях, когда взаимодействие пары драйвер-мишень происходит наиболее эффективно

2) Осуществлять инжекционную доставку криогенных мишеней в зону взаимодействия без потери качества топливного слоя и разрушения мишени.

3) Мишени нового класса, содержащие криогенный слой в состоянии «водородное стекло» или другом высокодисперсном состоянии, необходимы для фундаментальных исследований уравнения состояния вещества, а также в исследованиях, связанных с созданием металлического водорода с помощью всестороннего сжатия вещества по схеме ИТС.

Метод формирования криогенного слоя внутри движущихся незакрепленных микросфер, развитый в диссертации, положен в основу проектной конструкции устройства формирования и доставки криогенных мишеней в фокус установки ИСКРА-6.

Оригинальные технические решения стыковки модуля формирования и инжектора, а также устройства частотной сборки ансамблей капсула/мишень, разработанные в диссертации, положены в основу конструкции устройства сборки цилиндрических криогенных мишеней для плазменных экспериментов ЬАРЬАБ, которое предполагается создать при участии специалистов ФИАН, ФГУП «Красная Звезда» и СПбГПУ (г.Санкт-Петербург) в рамках проекта НЕОдеНОВ.