Американское исследование показало, что инерциальный термоядерный имплозивный синтез может допускать определенную асимметрию

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) недавно обнаружили, что конструкции имплозии, предназначенные для инерциальной термоядерной энергии (IFE), могут выдерживать значительные дефекты до резкого снижения характеристик. Этот результат поможет в проектировании топливных мишеней для будущих термоядерных электростанций, особенно в оценке допустимого диапазона ошибок мишеней в условиях высокочастотной инжекции и лазерного драйвера.

Результаты моделирования этого исследования показывают плотность (верхнее изображение) и температуру (нижнее изображение) в момент непосредственно перед достижением пика термоядерной реакции в асимметричной имплозии. Точка максимальной горячей зоны совпадает с точкой наибольшей плотности топлива, что указывает на прямое зажигание струи высокоплотного топлива, вызванное асимметрией. Это изображение недавно было выбрано в качестве обложки журнала «Физика плазмы». Источник изображения: Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса

Соответствующее исследование под названием «Устойчивость имплозий, связанных с инерциальной термоядерной энергией, к низкомодовой асимметрии» было опубликовано в журнале «Физика плазмы» (Physics of Plasmas). Исследование возглавил физик Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса Тимоти Джонсон (Timothy Johnson), в нем также участвовали Дэниел Кейси (Daniel Casey), Крис Уэбер (Chris Weber), Омар Харрикейн (Omar Hurricane), Райан Нора (Ryan Nora) и Сет Давидовиц (Seth Davidovits).

Исследовательская группа сосредоточилась на влиянии деградационных механизмов, таких как асимметрия и смешивание топлива, на имплозии для инерциальной термоядерной энергии. Джонсон отметил, что будущие термоядерные электростанции должны стабильно и предсказуемо производить энергию в непрерывном режиме. Если каждая имплозия приводит к потере выхода из-за дефектов, стоимость выработки электроэнергии соответственно возрастет.

В отличие от единичных, точно контролируемых экспериментов на Национальной установке зажигания (NIF) в США, будущие термоядерные электростанции могут потребовать запуска нескольких топливных мишеней в секунду с быстрой инжекцией в заданное положение. В таких условиях эксплуатации небольшие отклонения при облучении лазером быстро движущихся мишеней практически неизбежны, поэтому необходимо четко определить границы характеристик имплозии при асимметричном драйвере.

Используя двумерное радиационно-гидродинамическое моделирование, исследователи масштабировали конструкцию, впервые примененную для достижения зажигания на Национальной установке зажигания, до схемы мишени, способной производить около 30 мегаджоулей энергии, и постепенно вводили контролируемую асимметрию, то есть неравномерность облучения мишени драйверным излучением, чтобы наблюдать изменения характеристик имплозии.

Результаты моделирования показали, что с увеличением асимметрии термоядерный выход не снижается медленно, а остается в основном стабильным до достижения определенного критического порога. После превышения этого порога характеристики резко падают, и мишень не может достичь зажигания. Исследователи описали это изменение как переход через границу типа «обрыва».

Джонсон объяснил, что горячая точка в центре имплозии — это область высокотемпературного топлива, где начинается термоядерная реакция. Асимметрия отводит энергию из горячей точки, заставляя мишень расширяться раньше и сокращая время до зажигания. Если конструкция имеет достаточный запас, горячая точка все еще может достичь условий зажигания до разрушения мишени; но когда запас исчерпан, выход резко обрушивается, а не постепенно снижается.

Исследование также показало, что существует компромисс между выходом и устойчивостью. На этапах запуска и отладки будущей термоядерной электростанции может сначала применяться схема имплозии с более низким выходом, но с большей устойчивостью к ошибкам; по мере постепенного улучшения выявления и контроля источников асимметрии можно переключаться на конструкцию с более высоким выходом, но с более узким диапазоном устойчивости.

Джонсон отметил, что степень асимметрии, которая будет вноситься в реальной термоядерной электростанции на инерциальном синтезе, еще предстоит изучить, поскольку это связано со сложными условиями, включая вращательную инжекцию мишеней и лазерные импульсы с частотой до 10 раз в секунду. На следующем этапе исследовательская группа свяжет эту систему устойчивости с характеристиками, наблюдаемыми в реальных имплозиях на Национальной установке зажигания, включая картины распределения яркости на нейтронных изображениях, и дополнительно оценит, обладает ли имплозия аналогичной устойчивостью при смешивании топлива с материалом окружающей мишени.