Сжатие мишеней лазерным излучением

Инерционное термоядерное сжатие (ИТС) является одним из ключевых подходов к достижению управляемого термоядерного синтеза. Основной принцип заключается в том, что небольшие топливные мишени, содержащие дейтерий и тритий, подвергаются быстрым и равномерным сжатием с помощью интенсивного лазерного излучения, создающего высокие давления и температуры, необходимые для термоядерной реакции.

В ИТС ключевым параметром является плотность и температура сжимаемого топлива, которые должны достигать значений порядка 1000—10000 × ρ0 (где ρ0 — плотность твердого топлива) и температур порядка 10—20 млн К.

Структура лазерной мишени

Типичная мишень для лазерного термоядерного сжатия имеет многослойную структуру:

  1. Внешняя оболочка (абляционный слой) — изготавливается из полимера, пластика или бериллия. Она предназначена для абляционного срыва, когда лазерное излучение испаряет наружный слой, создавая реактивное давление, сжимающее топливо внутрь.
  2. Топливный слой — содержащий дейтерий и тритий в виде твердого или жидкого криогенного льда. Толщина топливного слоя составляет обычно несколько сотен микрометров.
  3. Вакуумная полость или центральная полость — пустое пространство, иногда использующееся для формирования симметричного сжатия и минимизации гидродинамических неустойчивостей.

Ключевой момент: симметрия облучения критична для равномерного сжатия. Даже небольшие асимметрии могут приводить к росту гидродинамических неустойчивостей (в частности, неустойчивость Рэлея–Тейлора) и разрушению мишени до достижения условий термоядерного горения.

Механизм сжатия

Сжатие мишени лазерным излучением происходит в несколько этапов:

  1. Абляционный импульс: лазерная энергия поглощается абляционным слоем, вызывая его испарение с высокой скоростью (до 107 см/с). Согласно закону сохранения импульса, происходит обратное давление, сжимающее внутренние слои мишени.
  2. Ускорение и инерционное удержание: сжатое топливо приобретает значительную кинетическую энергию, что позволяет ему сохранять высокую плотность в течение времени порядка нескольких наносекунд.
  3. Разогрев центра мишени: при достаточной плотности топливо разогревается до термоядерных температур либо с помощью шокового разогрева, либо через центральное воспламенение (ignition), когда центральная зона мишени достигает критической температуры и инициирует термоядерную реакцию.

Эффективность сжатия определяется коэффициентом сжатия η = ρ/ρ0 и временем удержания топлива в сжатом состоянии.

Типы лазерного нагрева

Существует несколько схем лазерного воздействия на мишени:

  1. Прямое облучение (Direct Drive): лазеры направлены непосредственно на поверхность мишени. Основное преимущество — простота конфигурации, но критично контролировать симметрию облучения.
  2. Косвенное облучение (Indirect Drive): мишень помещается в полость, называемую хоhlraum, где лазерное излучение преобразуется в рентгеновское. Рентгеновское излучение равномерно нагревает поверхность мишени. Достоинство схемы — высокая симметрия сжатия и уменьшение гидродинамических дефектов.

Ключевое различие: в прямом облучении энергия лазера непосредственно преобразуется в кинетическую энергию абляционного слоя, тогда как в косвенном — через промежуточное рентгеновское поле.

Гидродинамические неустойчивости

Сжатие мишени сопровождается ростом гидродинамических неустойчивостей, особенно неустойчивости Рэлея–Тейлора, возникающей на границе плотности между слоями. Основные факторы роста неустойчивостей:

  • Асимметрия облучения: различия в интенсивности лазерного пучка по поверхности мишени.
  • Неровности поверхности мишени: микронные дефекты могут увеличиваться на стадии сжатия в сотни раз.
  • Неоднородность абляционного слоя: разная скорость испарения материала приводит к локальным “провалам” давления.

Методы снижения неустойчивостей включают:

  • использование двухступенчатого облучения (pre-pulse и main pulse);
  • оптимизацию толщины и состава абляционного слоя;
  • использование криогенного топлива с минимальными дефектами.

Энергетический баланс и условия воспламенения

Для воспламенения термоядерной реакции необходимо достичь критического значения плотности и температуры, при котором энергия, выделяемая реакциями D–T, превышает потери энергии на теплопроводность и излучение. Основные критерии:

  1. Критический плотинно-временной параметр (ρR):

ρR ≳ 0.3—1 г/см²

где ρ — плотность сжатого топлива, R — радиус сжатой топливной зоны.

  1. Температура центральной зоны: Tc ∼ 10—20 МК.
  2. Энергетический коэффициент (gain): отношение энергии, выделенной термоядерными реакциями, к энергии лазерного импульса. Для практического синтеза требуется G > 10—20.

Лазеры и характеристики импульсов

Ключевые параметры лазеров для ИТС:

  • Энергия импульса: сотни килоджоулей до мегаджоулей;
  • Длительность импульса: несколько наносекунд, достаточных для сжатия и удержания мишени;
  • Волновая длина: обычно в диапазоне 0,3–1,0 мкм, что обеспечивает высокое поглощение и минимизацию рассеяния;
  • Форма импульса: сложная временная форма с плавным нарастанием для уменьшения гидродинамических неустойчивостей.

Применение современных лазерных установок, таких как NIF (National Ignition Facility) или LMJ (Laser Mégajoule), позволяет достигать энергии импульса порядка мегаджоулей и плотности мощности до 1015 Вт/см².

Оглавление