МИШЕНЬ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИИ ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА И СПОСОБ ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G21B1/19 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к мишени для проведения реакции термоядерного синтеза и к способу использования такой мишени.

Уровень техники

В настоящее время в области исследований процесса воздействия лазерного излучения на мишени для термоядерного синтеза из различных материалов и разнообразных конструкций большинство работ посвящено изучению взаимодействия нескольких пучков лазерного излучения (обычно с линейной поляризацией) с поверхностью сферической оболочки (см., например, С.А. Бельков и др. «Термоядерные мишени прямого облучения лазерным импульсом мегаджоульного уровня» // ЖЭТФ, 2015, том 148, вып. 4(10), стр. 784-798; патент США 9466397, опубл. 11.10.2016).

Использование этих сферических оболочек имеет много недостатков. В частности, в процессе синтеза большая часть энергии выделяется в виде кинетической энергии нейтронов, и ее преобразование в электрическую энергию вызывает значительные инженерные и технологические трудности. Кроме того, необходимо учитывать следующее.

Процессы движения сходящихся слоев в мишени описываются при помощи аппарата классической молекулярной физики и гидродинамики. Для успешного проведения таких реакций необходимо:

- идеально сферически-симметричное распределение изоэнергетических частиц топлива относительно геометрического центра мишени;

- неупругое столкновение нескольких изоэнергетических частиц в геометрическом центре мишени при движении по строго симметричным встречным направлениям;

- идеально-равномерное сферическое распределение выделяющейся энергии навстречу движущимся невыгоревшим слоям топлива.

Такая ситуация будет иметь место, если во время сжатия не случится «боковых» соударений частиц между собой, а все неупругие столкновения ионов топлива будут происходить только в очаге горения, расположенном в идеальном геометрическом центре сжимающейся мишени, либо в сферически-симметричных зонах относительно идеального геометрического центра сжимаемой мишени.

Для успешной реализации процесса выгорания топлива по такой схеме движение внутренней поверхности оболочки мишени по радиусу к центру - к очагу зажигания - должно произойти быстрее, чем тангенциальное («боковое») взаимодействие ионизированных и неионизированных частиц топлива, а также освобожденных электронов, имеющих разные величины энергии, т.е. быстрее, чем зарождение и развитие в какой-либо точке локальной нестабильности в виде вихря, «гриба», «воронки» или иной турбулентности.

Из теории молекулярных процессов, подчиняющихся закономерностям Максвелла-Больцмана, а также механики сплошных сред следует, что подобные ситуации в объеме, заполненном частицами, могут случаться крайне редко.

По данным, приведенным в работе С.А. Бельков и др. «Влияние пространственной неоднородности нагрева на сжатие и горение термоядерной мишени при прямом многопучковом облучении лазерным импульсом мегаджоульного уровня» (ЖЭТФ, 2017, том 151, вып. 2, стр. 396-408), эксперименты на установке NIF с применением импульса 2 МДж не привели к желаемым результатам в виде глубокого выгорания топлива, коммерчески оправданного выхода энергии, равномерной сходимости оболочки к идеальному геометрическому центру в процессе сжатия.

Неполное выгорание топлива мишени, которое наблюдается в экспериментах, может происходить также из-за того, что условия, необходимые для зажигания реакции синтеза, могут складываться в микрообьеме локальной нестабильности, возникающей на внутренней поверхности сжимаемой оболочки мишени, при захвате части топлива. В этом случае плотность энергии, выделяющейся из локального микрообъема в результате реакции синтеза, всегда будет выше, чем плотность энергии, подводимой к этому объему извне при помощи лазерного сжатия, абляционного давления и других способов, что неизбежно приводит к разрушению всей сжимаемой мишени.

Кроме того, при достижении сжимающимся топливом некоей критической плотности в нем должны происходить квантовые эффекты, что также должно приводить к образованию локальных нестабильностей, не расположенных в идеальном геометрическом центре сферической мишени, к разрушению однородности сжимающегося слоя и прекращению дожигания топлива.

При сжатии тонкостенной оболочечной сферической мишени импульсом суммарной энергией до 2 МДж происходит кратковременная вспышка термоядерного горения топлива, которая не располагается в идеальном геометрическом центре мишени и не приводит к процессу достаточно глубокого выгорания всего его запаса, т.е. не гарантирует выделения необходимого экономически оправданного количества энергии.

В заявке США 2014/0334585 (опубл. 13.11.2014) описана сферическая мишень, облучаемая лазерными пучками с двух сторон. Недостатки этого технического решения, выбранного в качестве ближайшего аналога, такие же, как рассмотрено выше - недостаточная эффективность выгорания мишени вследствие неравномерности сходимости оболочки к центру.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей настоящего изобретения является преодоление недостатков известных технических решений и повышение эффективности выгорания мишени.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложена мишень для проведения реакции термоядерного синтеза, выполненная в виде тонкостенного полого усеченного конуса, на внутренней поверхности которого нанесен слой вещества термоядерного топлива, при этом размеры конуса сопоставимы по меньшей мере с размерами фокусного пятна в пучке лазерного излучения, используемого для воздействия на эту мишень.

Особенность мишени по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что термоядерное топливо может быть выбрано из группы, включающей дейтерий, смесь дейтерия с тритием, дейтерид лития.

Альтернативно, другая особенность мишени по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что вещество термоядерного топлива может быть выбрано из группы, включающей химические соединения или композиции бора с водородом.

Еще одна особенность мишени по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что в качестве материала конуса может быть выбран металл из группы, включающей алюминий, золото, платину, титан, причем стенки конуса могут быть выполнены в виде фольги, толщина которой сопоставима с длиной волны лазерного излучения или кратна ей.

Наконец, еще одна особенность мишени по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что толщина стенок конуса может нарастать по мере его сужения.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложен способ использования мишени по первому объекту настоящего изобретения, заключающийся в том, что: размещают мишень в вакуумной камере; облучают мишень первым пучком лазерного излучения, направленным вдоль оси конуса на его внутреннюю поверхность со стороны его более широкого основания; одновременно облучают мишень вторым пучком лазерного излучения, направленным симметрично относительно оси конуса на его внешнюю поверхность со стороны его более узкого основания; при этом лазерное излучение обоих пучков имеет круговую поляризацию, направление вращения которой вокруг продольной оси конуса в обоих пучках совпадает при взгляде со стороны любого из оснований конуса.

Особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что первый пучок лазерного излучения в поперечном сечении может быть трубчатым либо сплошным с интенсивностью, возрастающей от середины первого пучка к его краю.

Другая особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что второй пучок лазерного излучения может быть сходящимся полым коническим.

Наконец, еще одна особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что в вакуумной камере могут обеспечивать остаточное давление, не влияющее на процессы ионизации материала конуса и вещества термоядерного топлива и процессы формирования устойчивых потоков электронов и ионов образующейся плазмы.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковые элементы помечены одинаковыми ссылочными позициями.

На Фиг. 1 приведен вид в разрезе мишени по настоящему изобретению.

На Фиг. 2 показана схема облучения мишени по Фиг. 1.

Подробное описание вариантов осуществления

На Фиг. 1 приведен вид в разрезе мишени по настоящему изобретению. Мишень для проведения реакции термоядерного синтеза, обозначенная в целом ссылочной позицией 1, выполнена в виде тонкостенного полого усеченного конуса 2, на внутренней поверхности которого нанесен слой 3 вещества термоядерного топлива. На Фиг. 1 ссылочными позициями 4 и 5 обозначены, соответственно, более широкое и более узкое основания конуса 2. Ссылочная позиция 6 относится к продольной оси конуса 2.

Поскольку мишень 1 предназначена для облучения пучками лазерного излучения, следует отметить, что размеры конуса 2 сопоставимы по меньшей мере с размерами фокусного пятна в пучке лазерного излучения, используемого для воздействия на мишень 1.

В качестве материала конуса 2 может быть выбран металл из группы, включающей алюминий, золото, платину, титан, причем стенки конуса 2 могут быть выполнены в виде фольги, толщина которой сопоставима с длиной волны упомянутого лазерного излучения или кратна ей.

В качестве термоядерного топлива, наносимого на внутреннюю поверхность конуса 2, может использоваться вещество, которое выбрано из группы, включающей дейтерий, смесь дейтерия с тритием, дейтерид лития. С другой стороны, это вещество термоядерного топлива может быть выбрано из группы, включающей химические соединения или композиции бора с водородом.

Отметим, что толщина стенок конуса 2 может нарастать по мере его сужения от более широкого основания 4 к более узкому основанию 5.

Способ использования мишени по настоящему изобретению заключается в следующем (см. Фиг. 2).

Мишень 1 размещают в вакуумной камере (не показано) и облучают одновременно первым и вторым пучками лазерного излучения, обозначенными на Фиг. 2, соответственно, ссылочными позициями 7 и 8. Первый пучок 7 лазерного излучения направлен вдоль оси 6 на внутреннюю поверхность конуса 2 со стороны более широкого основания 4. Второй пучок 8 лазерного излучения направлен симметрично относительно оси 6 на внешнюю поверхность конуса 2 со стороны его более узкого основания 5.

Важная характеристика способа по настоящему изобретению состоит в том, что лазерное излучение первого и второго пучков 7, 8 имеет круговую поляризацию, направление вращения которой вокруг продольной оси 6 конуса 2 в обоих пучках 7 и 8 совпадает при взгляде со стороны любого из оснований 4 или 5 конуса. Это условно показано на Фиг. 2 вращением вектора 9 электрического поля Е₇ по стрелке 10 вокруг направления 11 распространения первого пучка 7. На Фиг. 2 для примера это вращение показано по часовой стрелке, если смотреть по направлению распространения этого первого пучка 7, но такое вращение может быть и против часовой стрелки. При этом во втором пучке 8 вектор 12 электрического поля E₈ имеет направление 13 вращения в противоположную сторону вокруг направления 14 распространения второго пучка 8, если смотреть по направлению распространения этого второго пучка 8. При взгляде же с одной (любой) стороны векторы 9 и 12 электрического поля Е₇ и Е₈ будут вращаться в одном направлении.

Первый пучок 7 лазерного излучения в поперечном сечении может быть трубчатым либо сплошным с интенсивностью, возрастающей от оси первого пучка 7 к его краю. В то же время второй пучок 8 лазерного излучения может быть сходящимся полым коническим. Для формирования таких пучков может быть использовано средство, раскрытое, например, в патенте РФ 2552029 (опубл. 10.06.2015). В принципе, второй пучок 8 может быть сформирован несколькими лазерными источниками, установленными по окружности вокруг продольной оси 6 мишени 1.

Отметим, что в вакуумной камере, где установлена мишень 1, нужно предпочтительно обеспечить остаточное давление, не влияющее на процессы ионизации материала конуса 2 и вещества термоядерного топлива в слое 3, а также процессы формирования устойчивых потоков электронов и ионов образующейся плазмы. Это давление может иметь величину, скажем, не более 10^-6 мм рт. ст.

Способ использования мишени 1 в соответствии с настоящим изобретением реализуется следующим образом.

При взаимодействии трубчатых пучков 7 и 8 лазерного излучения с внешней и внутренней поверхностью полой конусной мишени 2 внутри конуса 1 образуется полый конусный тонкостенный сгусток электронов, а затем и положительно заряженных ионов вещества термоядерного топлива, которые должны быть сфокусированы в области малого объема у более узкого основания 5. Фокусировку конусного сгустка положительно заряженных ионов вещества термоядерного топлива можно выполнять разными методами, к которым относятся:

- световое давление циркулярно-поляризованного импульса трубчатого лазерного пучка 8 круговой поляризации на внешнюю поверхность конусной мишени 1;

- генерация продольного магнитного поля с индуктивностью В по оси конуса наведенным током в приповерхностных слоях внешней поверхности конуса 2 и продуктах разлетающейся плазмы, т.е. генерация сверхсильных магнитных полей (СМП) с переменной величиной «В», нарастающей от более широкого основания 4 конуса 2 мишени 1 к более узкому основанию 5 за счет токов увлечения в материале мишени 1 и в разлетающихся продуктах воздействия лазерного излучения на вещество мишени и топлива (Ю.М. Алиев, В.Ю. Быченков. «Генерация спонтанных магнитных полей, связанная с возникновением светоэлектрического эффекта в лазерной плазме. Физика плазмы, 1980. том 6, вып. 1, стр. 80-89);

- формирование потока быстрых (фото)-электронов, эмиттированных из оболочки (конуса 2) и слоя 3 с внутренней поверхности конусной тонкостенной мишени 1 (при скользящем падении лазерного излучения), движущихся по винтовой сжимающейся траектории вдоль оси 6 конуса 2, что приводит к формированию сгустка положительно заряженных ионов, движущихся за потоком электронов; при этом сжимающиеся сгустки создают собственные магнитные поля с индуктивностью не менее сотен Т; (С.И. Анисимов, В.А. Бендерский, Д. Фаркаш. «Нелинейный фотоэлектрический эффект в металлах под действием лазерного излучения». Успехи Физических Наук, 1977, том 132, вып. 2, стр. 185-222);

- нелинейное взаимодействие обоих пучков заряженных частиц, т.е. электронов и ионов с первым и вторым пучками 7, 8 лазерного излучения внутри конусной мишени (Г. Хора. «Увеличение термоядерного выхода при быстром сжатии холодных термоядерных мишеней, осуществляемом за счет нелинейного взаимодействия лазерного излучения с плазмой». Квантовая электроника, 1976, том 3, номер 2, стр. 293-303);

- нелинейное оптическое взаимодействие трубчатого лазерного импульса с плазмой, разлетающейся от внешней поверхности мишени 1; (упомянутая работа Г. Хора);

- возникающее при сжатии конусной мишени 1 посредством магнито-кумулятивного эффекта «магнитное зеркало» в области более узкого основания 5; (Г.И. Димов, И.С. Емелев. «Эксперименты по удержанию мишенной плазмы в магнитной ловушке с инверсными пробками и кольцевыми мультипольными стенками». Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 2, стр. 347-357).

В результате действия перечисленных процессов у более узкого основания 5 конусной (сжимающейся) мишени происходит образование малой области со сверхсильным магнитным полем (не менее нескольких тысяч Т), внутри которой начинается процесс слияния ионов термоядерного топлива, поступающих из остального объема мишени 1 от более широкого (сжимающегося) основания 4.

Сжимающаяся мишень 1 и генерация сверхсильных магнитных полей внутри нее приводят к подавлению потерь ионов термоядерного топлива через торцы мишени.

Продукты происходящей при этом реакции направляются в последующий технологический передел.

Таким образом, с помощью настоящего изобретения достигается повышение эффективности выгорания мишени для проведения реакции термоядерного синтеза.

Изобретение относится к мишени для проведения реакции термоядерного синтеза и к способу использования такой мишени. Мишень 1 для проведения реакции термоядерного синтеза выполнена в виде тонкостенного полого усеченного конуса 2, на внутренней поверхности которого нанесен слой 3 вещества термоядерного топлива, при этом размеры конуса сопоставимы по меньшей мере с размерами фокусного пятна в пучке лазерного излучения, используемого для воздействия на мишень. Способ использования этой мишени заключается в том, что размещают мишень в вакуумной камере; облучают мишень первым пучком 7 лазерного излучения, направленным вдоль оси 6 конуса на его внутреннюю поверхность со стороны его более широкого основания 4; одновременно облучают мишень вторым пучком 8 лазерного излучения, направленным симметрично относительно оси конуса на его внешнюю поверхность со стороны его более узкого основания 5; при этом лазерное излучение обоих пучков имеет круговую поляризацию, направление вращения которой вокруг продольной оси конуса в обоих пучках совпадает при взгляде со стороны любого из оснований. Техническим результатом является повышение эффективности выгорания мишени. конуса. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Мишень для проведения реакции термоядерного синтеза, выполненная в виде тонкостенного полого усеченного конуса, на внутренней поверхности которого нанесен слой вещества термоядерного топлива, при этом размеры упомянутого конуса сопоставимы по меньшей мере с размерами фокусного пятна в пучке лазерного излучения, используемого для воздействия на упомянутую мишень.

2. Мишень по п. 1, в которой упомянутое термоядерное топливо выбрано из группы, включающей дейтерий, смесь дейтерия с тритием, дейтерид лития.

3. Мишень по п. 1, в которой упомянутое вещество термоядерного топлива выбрано из группы, включающей химические соединения или композиции бора с водородом.

4. Мишень по п. 1, в которой в качестве материала упомянутого конуса выбран металл из группы, включающей алюминий, золото, платину, титан, причем стенки упомянутого конуса выполнены в виде фольги, толщина которой сопоставима с длиной волны упомянутого лазерного излучения или кратна ей.

5. Мишень по п. 1, в которой толщина стенок упомянутого конуса нарастает по мере его сужения.

6. Способ использования мишени по п. 1, заключающийся в том, что:

- размещают упомянутую мишень в вакуумной камере;

- облучают упомянутую мишень первым пучком лазерного излучения, направленным вдоль оси упомянутого конуса на его внутреннюю поверхность со стороны его более широкого основания;

- одновременно облучают упомянутую мишень вторым пучком лазерного излучения, направленным симметрично относительно оси упомянутого конуса на его внешнюю поверхность со стороны его более узкого основания;

- при этом лазерное излучение обоих упомянутых пучков имеет круговую поляризацию, направление вращения которой вокруг продольной оси упомянутого конуса в обоих упомянутых пучках совпадает при взгляде со стороны любого из упомянутых оснований конуса.

7. Способ по п. 6, в котором упомянутый первый пучок лазерного излучения в поперечном сечении является трубчатым либо сплошным с интенсивностью, возрастающей от середины упомянутого первого пучка к его краю.

8. Способ по п. 6, в котором упомянутый второй пучок лазерного излучения является сходящимся полым коническим.

9. Способ по п. 6, в котором в упомянутой вакуумной камере обеспечивают остаточное давление, не влияющее на процессы ионизации материала упомянутого конуса и упомянутого вещества термоядерного топлива и процессы формирования устойчивых потоков электронов и ионов образующейся плазмы.