Разработка методов аттестации оболочки и слоя топлива криогенной мишени непрямого облучения для лазерного термоядерного синтеза

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Криогенная мишень непрямого облучения представляет собой расположенную в боксе-конверторе полую сферическую оболочку-капсулу со сферически симметричным твердым слоем дейтерий-тритиевого топлива на ее внутренней поверхности. Постановке криогенной мишени в эксперимент по зажиганию на установке мегаджоульного уровня энергии предшествует всесторонняя аттестация всех составляющих мишень элементов и аттестация готовой мишени. В данной работе описан метод аттестации полной внешней поверхности оболочки криогенной мишени с помощью конфокальной микроскопии, приведены результаты развития оптического теневого метода и рентгеновского метода с фазовым контрастом для диагностики слоя топлива в криомишени. Результаты сшивки полной внешней поверхности оболочки используются для интерпретации результатов экспериментов по формированию твердого слоя топлива в криомишени. Разработанный комплекс программ для аттестации слоя топлива применяется для дозирования жидкого топлива, диагностики параметров твердого слоя топлива и оценки корректности результатов диагностики.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Елена Юрьевна Зарубина

Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики; Филиал Московского государственного университета в Сарове

Автор, ответственный за переписку.
Email: zarubinaelena2@yandex.ru
Россия, пр. Мира, 37, Саров, 607188; ул. Парковая, 8, Саров, 607328

Марина Анатольевна Рогожина

Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

Email: rogozhina.marina.a@gmail.com
Россия, пр. Мира, 37, Саров, 607188

Елена Юрьевна Соломатина

Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

Email: eyusolom@gmail.com
Россия, пр. Мира, 37, Саров, 607188

Иван Александрович Чугров

Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

Email: cahbi4var@mail.ru
Россия, пр. Мира, 37, Саров, 607188

Список литературы

  1. Ильгисонис В. Термоядерные исследования как существенная составляющая технологической платформы энергетической безопасности // Энергетическая политика. 2023. Т. 2. № 180. doi: 10.46920/2409-5516_2023_2180_12
  2. Ильгисонис В.И., Ильин К.И., Новиков С.Г., Оленин Ю.А. О программе российских исследований в области управляемого термоядерного синтеза и плазменных технологий // Физика плазмы. 2021. Т. 47. № 11. С. 963—969. doi: 10.31857/S0367292121110172
  3. Danson C.N., Gizzi L.A. Inertial confinement fusion ignition achieved at the National Ignition Facility — an editorial // High Power Laser Science and Engineering. 2023. V. 11. No. 40. doi: 10.1017/hpl.2023.38
  4. Huang H., Stephens R.B., Nikroo A., Eddinger S.A., Chen K.C., Xu H.W., Moreno K.A., Youngblood K.P., Skelton M. Quantitative radiography: Film Model Calibration and Dopant/Impurity Measurement in ICF Ablators // Fusion Science and Technology. 2007. V. 51. No. 4. P. 530—538. doi: 10.13182/FST51-530
  5. Biener J., Ho D.D., Wild C., Woerner E., Woerner E., Biener M.M., El-dasher B.S., Hicks D.G., Eggert J.H., Celliers P.M., Collins G.W., Teslich N.E., Kozioziemski B.J., Haan S.W., Hamza A.V. Diamond spheres for inertial confinement fusion // Nucl. Fusion. 2009. V. 49. P. 112001.
  6. Xianxian Ma, He Ni, Mengshuang Lu, Zihao Liu, Jingwen Huang, Qi Wangb, Yun Wang. A measurement method for three-dimensional inner and outer surface profiles and spatial shell uniformity of laser fusion capsule // Optics and Laser Technology. 2021. V. 134. P. 106601.
  7. Tianliang Yan, Kai Wang, Zhongming Zang, An Lu, Xiaobo Hu, Nan Chen, Huxiang Zhang, Chong Liu, Dong Liu. Compact, snapshot and triple-wavelength system for ICF target ice-layer refractive index and thickness measurement // Optics and Laser Technology. 2021. V. 134. P. 106595.
  8. Nikitenko A.I., Tolokonnikov S.M. Optimal “Tomography” of 2-Layered Targets: 3D Parameters Reconstruction from Shadow Images // Fusion Science and Technology. 2007. V. 51. No. 4. P. 705—716. doi: 10.13182/FST07-A1468
  9. Kucheev S.O., Hamza A.V. Condensed hydrogen for thermonuclear fusion // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 091101.
  10. Haan S.W., Lindl J.D., Callahan D.A., Clark D.S., Salmonson J.D., Hammel B.A., Atherton L.J., Cook R.C., Edwards M.J., Glenzer S., Hamza A.V., Hatchett S.P., Herrmann M.C., Hinkel D.E., Ho D.D., Huang H., Jones O.S., Kline J., Kyrala G., Landen O.L., MacGowan B.J., Marinak M.M., Meyerhofer D.D., Milovich J.L., Moreno K.A., Moses E.I., Munro D.H., Nikroo A., Olson R.E., Peterson K., Pollaine S.M., Ralph J.E., Robey H.F., Spears B.K., Springer P.T., Suter L.J., Thomas C.A., Town R.P., Vesey R., Weber S.V., Wilkens H.L., Wilson D.C. Point design targets, specifications, and requirements for the 2010 ignition campaign on the National Ignition Facility // Physics of Plasmas. 2011. V. 18. P. 051001. doi: 10.1063/1.3592169
  11. Narang Simon. Modeling for Direct Drive Fusion Implosions: Cryogenic Target Filling at Arbitrary Viewing Angles and Yield Prediction. Pittsford, New York: Sutherland High School, 2019.
  12. Parham T., Kozioziemski B., Atkinson D., Baisden P., Bertolini L., Boehm K., Chernov A., Coffee K., Coffield F., Dylla-Spears R., Edwards O., Fair J., Fedorov M., Fry J., Gibson C., Haid B., Holunga D., Kohut T., Lewis T., Malsbury T., Mapoles E., Sater J., Skulina K., Trummer D., Walters C. Cryogenic Target System for Hydrogen Layering / American Nuclear Society Scientific Publication. 2016. LLNL-JRNL-696377.
  13. Harding D.R., Wittman M.D., Edgell D.H. Considerations and Requirements for Providing Cryogenic Targets for Direct-Drive Inertial Fusion Implosions at the National Ignition Facility, Fusion Science and Technology // Fusion Science and Technology. 2013. V. 63. No. 2. P. 95—105.
  14. Kozioziemski B.J., Mapoles E.R., Sater J.D., Chernov A.A., Moody J.D., Lugten J.B., Johnson M.A. Deuterium-Tritium Fuel Layer Formation for the National Ignition Facility // Fusion Science and Technology. 2011. V. 59. No. 1. P. 14—25.
  15. Kozioziemski B.J., London R.A., McEachern R.L., and Bittner D.N. Demonstration of symmetry control of infrared heated deuterium layers in holraums. 2003. UCRL-JC-154640.
  16. Cryogenic Target Handling System Operation Manual / Volume IV–CTHS Description, Chapter 8: Characterization Station (CS) — Revision A. 2004.
  17. Numerical Investigation of Characterization of Thick Cryogenic-Fuel Layers Using Convergent Beam Interferometry / LLE Review. V. 79. P. 131—138.
  18. Harding D.R., Wittman M.D., Redden N.P., Edgell D.H., Ulreich J. Comparison of Shadowgraphy and X-Ray Phase Contrast Methods for Characterizing a DT Ice Layer in an Inertial Confinement Fusion Target // Fusion Science and Technology. 2020. doi: 10.1080/15361055.2020.1812990
  19. Гаранин С.Г., Гарнов С.В., Сергеев А.М., Хазанов Е.А. Мощные лазеры для физики высоких плотностей энергии // Вестник Российской академии наук. 2021. Т. 9. № 5. С. 435—445.
  20. Аверин М.С., Баранова А.С., Бусалов А.А., Гнутов А.С., Ермакова И.Ю., Ляпин В.В. Алгоритм переноса поверхностной сетки при подготовке расчетных сеток для тонкостенных конструкций / Молодежь в науке: сборник докладов XXI научно-технической конференции. 2024.
  21. Clark D.S., Haan S.W., Hammel B.A., Salmonson J.D., Callahan D.A., Town R.P. Phys. Plasmas / 2010. 17 (052703).
  22. LMJ & PETAL Status and first experiments // IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 717. P. 012084. doi: 10.1088/1742-6596/717/1/012084
  23. Зарубина Е.Ю., Рогожина М.А., Чугров И.А. Получение криогенной мишени непрямого облучения с твердым слоем дейтерия // ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2024. V. 79. No. 1. P. 2410401. [Zarubina E.Yu., Rogozhina M.A., Chugrov I.A. Creation of the Indirect-Drive Cryogenic Target with the Solid Deuterium Layer // Moscow University Physics Bulletin. 2024. V. 79. No. 1. P. 25—38.]
  24. Eddinger S.A., Huang H., Schoff M.E. Three-Dimensional Wallmapping Using Xradia with Distortion Correction // Fusion Sci. Technol. 2009. V. 55. No. 4. P. 411—416.
  25. Stephens R. B., Olson D., Huang H., Gibson J. B. Complete Surface Mapping of ICF Shells // Fusion Science and Technology. 2004. V. 45. No. 2. P. 210—213. doi: 10.13182/FST45-210
  26. Antipa N.A., Baxamusa S.H., Buice E.S., Conder A.D., Emerich M.N., Flegel M.S., Heinbockel C.L., Horner J.B., Fair J.E., Kegelmeyer L.M., Koh E.S., Johnson M.A., Maranvill W.L., Meyer J.S., Montesanti R., Nguyen J., Ralph J.E., Reynolds J L. & Senecal J.G. Automated ICF Capsule Characterization Using Confocal Surface Profilometry // Fusion Sci. Technol. 2013. V. 63. No. 2. P. 151—159.
  27. Huang H., Carlson L. C., Requieron W., Rice N., Hoover D., Farrell M., Goodin D., Nikroo A., Biener J., Stadernann M., Haan S.W., Ho D., Wild C. Quantitative Defect Analysis of Ablator Capsule Surfaces Using a Leica Confocal Microscope and a High-Density Atomic Force Microscope // Fusion Sci. Technol. 2016. V. 70. No. 2. P. 377—38.
  28. Chobriat A., Raphaël O., Hermerel C., Busvelle E., Choux A., Merillot P., Reverdy L., Theobald M. Developments in Shell Surface Characterizations Using Holography // Fusion Sci. Technol. 2018. V. 73. No. 2. P. 132—138.
  29. Nguyen Q.L., Eddinger S.A., Huang H., Johnson M.A., Lee Y.T., Montesanti R.C., Moreno K.A., Schoff M.E. Increasing the Throughput of Phase-Shifting Diffraction Interferometer for Quantitative Characterization of ICF Ablator Capsule Surfaces // Fusion Science and Technology. 2009. V. 55. No. 4. P. 399—404. doi: 10.13182/FST09-18
  30. Рогожина М.А., Зарубина Е.Ю., Чугров И.А. Диагностика параметров криогенного слоя изотопов водорода в мишени непрямого облучения / Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM’23 Junior: сб. докладов 16-й Международной школы молодых ученых и специалистов им. А. А. Курдюмова. 2023. P. 369—378.
  31. Зарубина Е.Ю., Рогожина М.А., Чугров И.А. Диагностика параметров слоя изотопов водорода в криогенной мишени непрямого облучения для лазерного термоядерного синтеза // ФИЗМАТ. 2024. V. 2. No. 2. P. 134—154.
  32. Zarubina E.Yu., Rogozhina M.A. Shadowgraphic Characterization Method of a Cryogenic Hydrogen Isotope Layer in an Indirect-Drive Target for Inertial Confinement Fusion // Physics of Atomic Nuclei. 2022. V. 5. No. 10. P. 1638—1641. doi: 10.1134/S1063778822100659

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Требования NIF к поверхностям криомишени [10]. Максимально допустимый одномерный спектр мощности шероховатости поверхностей криомишени (для экваториальных прописей поверхностей): 1 — внешняя поверхность оболочки; 2 — первая-третья средние поверхности оболочки; 3 — внутренняя поверхность оболочки; 4 — внутренняя поверхность льда. Поверхности определяются относительно центра внутренней поверхности оболочки, поэтому мода 1 (неконцентричность) не определяется для этой поверхности.

Скачать (165KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Конструкция мишени увеличенного размера РФЯЦ—ВНИИЭФ: a — бокс-конвертор диаметром 1,4 см с шестью окнами диаметром 2 мм для ввода ЛИ (ввод ЛИ показан для одного окна); б — часть оболочки с топливом: 1 — оболочка из HDC (плотность 3,51 г/см3); 2 — твердый слой DT-топлива (плотность 0,25 г/см3); 3 — насыщенный DT-газ (плотность 0,3 мг/см3).

Скачать (278KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схема экспериментального стенда аттестации оболочек: 1 — основной трехкоординатный манипулятор; 2 — вспомогательный шестикоординатный манипулятор; 3 — оболочка диаметром около 2 мм; 4 — к вакуумной системе; 5 — объектив оптического профилометра; 6 — вакуумные пинцеты; 7 — моторизированные ротаторы; 8 — двухосевые ручные позиционеры; 9 — заклонный столик; 10 — трехосевая система моторизированных позиционеров; 11 — виброгасящий стол оптического профилометра; 12 — развязывающий оптический столик; 13 — поворотное зеркало. Пунктирными стрелками показаны возможные направления перемещений позиционеров и объектива.

Скачать (373KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Трехмерная карта дефектов внешней поверхности полой ПАМС-оболочки в виде отклонений от аппроксимирующей поверхность сферы диаметром 2126 мкм.

Скачать (257KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Оценка пространственного положения и геометрических параметров дефектов. X, Y, Z — координаты дефектов в системе координат с центром в центре сферы, аппроксимирующей сшитую внешнюю поверхность оболочки; координаты вычисляются как проекция центра дефекта на сферу диаметром 2130 мкм (измеренный диаметр оболочки). Цифрами на дефектах указано их максимальное отклонение от прилегающей поверхности в радиальном направлении (высота, глубина). Рисунок представляет собой карту высот. Параметры некоторых дефектов, не обозначенные на рисунке, следующие. Дефект № 1 (самый крупный): площадь 7230 мкм2, объем 2890 мкм3. Дефект № 4 (маленький): площадь 79 мкм2, объем 8 мкм3. Дефект № 6 (самый высокий): площадь 1520 мкм2, объем 5930 мкм3. Область на рисунке включает в себя 4 экватора с перекрытием от 20 до 50 %, по 3 топографии в каждом.

Скачать (486KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Спектры мощности Фурье, вычисленные по профилям трех соседних экваторов для оболочки, и требования к внешней поверхности оболочки NIF (штриховая линия).

Скачать (142KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025