Разработана модель перемешивания оболочек лазерных термоядерных мишеней

Ученые Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и Института математического моделирования РАН разработали модель, описывающую перемешивание веществ при сжатии мишеней лазерного термоядерного синтеза. По словам специалистов, данная модель поможет ответить на вопрос о влиянии начальных условий на динамику процесса перемешивания.

Мишень (шарик в несколько миллиметров, состоящий из дейтерий-тритиевого ядра и оболочки из других веществ) в лазерном термоядерном синтезе облучается мощными пучками лазера. При сжатии и нагреве мишени в DT-смеси создаются условия, при которых происходят реакции слияния дейтерия и трития, образуются ядра гелия (альфа-частицы) и нейтроны, а также выделяется большое количество энергии (около 18 МэВ за реакцию), - происходит ядерный микровзрыв.

При лазерном облучении и сжатии мишени, происходящих в результате испарения и разлета оболочки, между ядром и оболочкой возникает неустойчивость, происходит взаимное проникновение легкого и тяжелого вещества. Появляется неоднородность, которая приводит к снижению температуры топлива, а также плотностей сжимаемых веществ, нарушая симметричность сжатия мишени - в итоге это снижает эффективность реакции.

Ученые считают, что неустойчивости можно избежать, если сжимать мишень максимально симметрично, но для этого необходимо бесконечное число лазеров, а это, разумеется, невозможно.

Изучать эту задачу исследователи начали еще 50 лет назад, но до настоящего времени неустойчивости все еще остаются одной из главных проблем в этом направлении физики.

Модель, предложенная сейчас учеными, является еще одним шагом в изучении этой проблемы. Итогом работы стал ответ на вопрос, как начальные возмущения, определяемые как симметрией и однородностью источника энергии, так и качеством изготовления самой капсулы, влияют на степень сжатия и нейтронный выход реакции.

Учеными была построена модель, для чего они провели большое количество численных одномерных (1D) и двумерных (2D) расчетов развития неустойчивостей для «плоской» и сферической геометрии, результаты которых содержат информацию о состоянии веществ, а также о размерах области перемешивания и других показателях. После этого на основе полученных данных и учитывая существующие теоретические модели описания турбулентного слоя в процессе перемешивания двух разноплотных веществ, ученые разработали теоретическую модель для описания ширины и скорости роста зоны турбулентного перемешивания для широкого диапазона начальных условий.

По словам Рафаэля Яхина, одного из участников работы, кандидата физико-математических наук, преимущества лазерного излучения для инициирования термоядерных реакций заключаются в относительной легкости его транспортировки к мишени и его фокусировки, а также возможности получать высокие плотности мощности, требуемые для эффективного сжатия мишени. В ведущих мировых лабораториях уже существуют и проектируются несколько мощных лазерных установок для облучения мишеней. В настоящее время самой крупной из них является National Ignition Facility (NIF) в США, которая представляет собой систему из 192 лазеров на неодимовом стекле с суммарной энергией импульсов 1,8 МДж и длительностью несколько наносекунд, способных фокусироваться в пятно размером несколько миллиметров. По сообщениям из прессы в Сарове в ближайшие годы планируется создать близкую по своим параметрам к лазеру NIF установку.

Еще одним явлением, в котором имеет место развитие гидродинамических неустойчивостей, является взрыв и разлет сверхновых звёзд. По словам Яхина, сейчас он занят исследованием эволюции сверхновых звезд при взрыве. В частности, на основе численных кодов проводятся 1D- и 2D-гидродинамические расчеты, которые моделируют динамику процессов разлета остатков сверхновой с массой порядка 15 солнечных в течение нескольких сотен секунд после момента взрыва. Учитывая критерии гидродинамического подобия, рассматриваются возможные лазерные мишени-имитаторы сверхновых, которые позволят в лабораторных условиях воспроизвести физические процессы, имеющие место при взрыве астрофизического объекта, такие как распространение ударной волны по веществу, развитие гидродинамических неустойчивостей на границах разноплотных оболочек, а также формирование остаточного облика на месте взрыва сверхновой и прочее.

Источник: АНИ «ФИАН-информ»