Гольраум в термоядерном синтещении: конструкция, требования и роль в инерционном удержании.

Введение

В термодинамике излучения, hohlraum (неспецифическое немецкое слово, означающее «полое пространство» или «полость») — это полость, чьи стенки находятся в радиационном равновесии с излучением внутри полости. Эту идеализированную полость можно приближенно реализовать на практике, сделав небольшое отверстие в стенке полого сосуда из любого непрозрачного материала. Излучение, выходящее через такое отверстие, будет хорошим приближением к излучению абсолютно чёрного тела при температуре внутренней части сосуда.

Инерциальный конфигурационный синтез

Непрямой подход к инерциальному термоядерному синтезу заключается в следующем: топливная капсула удерживается внутри цилиндрического хольраума. Корпус хольраума изготавливается из элемента с высоким Z (высоким атомным номером), обычно золота или урана. Внутри хольраума находится топливная капсула, содержащая дейтериево-тритиевое (D-T) топливо. Внутри топливной капсулы прилегает замороженный слой D-T льда. Стенка топливной капсулы синтезируется из легких элементов, таких как пластик, бериллий или углерод высокой плотности, то есть алмаз. Внешняя часть топливной капсулы взрывается наружу при абляции под воздействием рентгеновского излучения, производимого стенками хольраума при облучении лазерами. В соответствии с третьим законом Ньютона, внутренняя часть топливной капсулы имплодирует, вызывая сверхсжатие D-T топлива и инициируя реакцию термоядерного синтеза. Источник излучения (например, лазер) направлен на внутреннюю поверхность хольраума, а не на саму топливную капсулу. Хольраум поглощает и переизлучает энергию в виде рентгеновских лучей, что известно как непрямой привод. Преимущество этого подхода по сравнению с прямым приводом заключается в сглаживании структур высокого порядка от лазерного пятна при переизлучении энергии стенками хольраума. Недостатком этого подхода является то, что асимметрии низкого порядка сложнее контролировать. Для достижения равномерной имплозии важно контролировать как асимметрии высокого, так и низкого порядка. Поверхностная шероховатость стенок хольраума должна быть менее 1 микрона, что требует прецизионной обработки при изготовлении. Любые дефекты стенки хольраума при изготовлении приведут к неравномерному и несимметричному сжатию топливной капсулы внутри хольраума во время инерциального термоядерного синтеза. Поэтому необходимо тщательно предотвращать дефекты, и крайне важна качественная обработка поверхности, поскольку во время лазерных экспериментов по ИТС результаты сильно зависят от шероховатости текстуры хольраума из-за интенсивного давления и температуры. Топливная капсула должна быть идеально сферической, с шероховатостью текстуры менее одного нанометра, для начала термоядерного зажигания. В противном случае нестабильность приведет к прекращению реакции синтеза. Топливная капсула содержит небольшое заполняющее отверстие диаметром менее 5 микрон для заполнения капсулы D-T газом. Интенсивность рентгеновского излучения вокруг капсулы должна быть очень симметричной, чтобы избежать гидродинамической нестабильности во время сжатия. В ранних конструкциях радиаторы располагались на концах хольраума, но оказалось трудно поддерживать достаточную симметрию рентгеновского излучения с такой геометрией. К концу 1990-х годов физики-мишенщики разработали новое семейство конструкций, в которых ионные пучки поглощаются в стенках хольраума, так что рентгеновское излучение исходит с большой части телесного угла, окружающего капсулу. При разумном выборе поглощающих материалов эта конструкция, называемая мишенью с "распределенным радиатором", обеспечивает лучшую симметрию рентгеновского излучения и прирост энергии мишени в моделировании, чем более ранние конструкции.

The indirect drive approach to inertial confinement fusion is as follows: the fusion fuel capsule is held inside a cylindrical hohlraum. The hohlraum body is manufactured using a high Z (high atomic number) element, usually gold or uranium. Inside the hohlraum is a fuel capsule containing deuterium and tritium (D T) fuel. A frozen layer of D T ice adheres inside the fuel capsule. The fuel capsule wall is synthesized using light elements such as plastic, beryllium, or high density carbon, i. e. diamond. The outer portion of the fuel capsule explodes outward when ablated by the x rays produced by the hohlraum wall upon irradiation by lasers. Due to Newton's third law, the inner portion of the fuel capsule implodes, causing the D T fuel to be supercompressed, activating a fusion reaction. The radiation source (e. g., laser) is pointed at the interior of the hohlraum rather than at the fuel capsule itself. The hohlraum absorbs and re radiates the energy as X rays, a process known as indirect drive. The advantage to this approach, compared to direct drive, is that high mode structures from the laser spot are smoothed out when the energy is re radiated from the hohlraum walls. The disadvantage to this approach is that low mode asymmetries are harder to control. It is important to be able to control both high mode and low mode asymmetries to achieve a uniform implosion. The hohlraum walls must have surface roughness less than 1 micron, and hence accurate machining is required during fabrication. Any imperfection of the hohlraum wall during fabrication will cause uneven and non symmetrical compression of the fuel capsule inside the hohlraum during inertial confinement fusion. Hence imperfection is to be carefully prevented so surface finishing is extremely important, as during ICF laser shots, due to intense pressure and temperature, results are highly susceptible to hohlraum texture roughness. The fuel capsule must be precisely spherical, with texture roughness less than one nanometer, for fusion ignition to start. Otherwise, instability will cause fusion to fizzle. The fuel capsule contains a small fill hole with less than 5 microns diameter to inject the capsule with D T gas. The X ray intensity around the capsule must be very symmetrical to avoid hydrodynamic instabilities during compression. Earlier designs had radiators at the ends of the hohlraum, but it proved difficult to maintain adequate X ray symmetry with this geometry. By the end of the 1990s, target physicists developed a new family of designs in which the ion beams are absorbed in the hohlraum walls, so that X rays are radiated from a large fraction of the solid angle surrounding the capsule. With a judicious choice of absorbing materials, this arrangement, referred to as a "distributed radiator" target, gives better X ray symmetry and target gain in simulations than earlier designs.

Конструкция ядерного оружия

Термин "хольраум" также используется для описания корпуса термоядерной бомбы конструкции Теллера-Улама. Задача этого корпуса – удержать и сфокусировать энергию первичной (делящейся) стадии для сжатия вторичной (синтезирующей) стадии.