На правах рукописи

МАТАФОНОВ АНАТОЛИЙ ПЕТРОВИЧ ИНИЦИИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МИШЕНЯМИ Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Королев Московской области - 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Федерального космического агентства

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Рухадзе Анри Амвросьевич доктор физико-математических наук Калинин Юрий Григорьевич доктор физико-математических наук Астапенко Валерий Александрович

Ведущая организация:

Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН) Российской академии наук

Защита состоится 14 октября 2009 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.156.01 при Московском физико-техническом институте (государственном университете) по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ, аудитория 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан л_ 2009 года

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физ.-мат. наук А.С. Батурин 2а 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы В последние годы прогресс в исследованиях физических свойств вещества под действием сверхинтенсивного электромагнитного излучения был непосредственно связан с созданием и развитием импульсных лазеров субпикосекундной длительности, основанных на принципе усиления чирпированного импульса. Развитие нового поколения твердотельных лазеров привело к уникальным условиям облучения лазерных мишеней в диапазонах длительностей импульса 10 1000 фс, интенсивностей 1017 1021 Вт/см2, пиковых значений мощности 10 1000 ТВт. При этих условиях лазерное излучение достаточно эффективно трансформируется в потоки быстрых электронов и ионов, взаимодействие которых с веществом мишени приводит к генерации рентгеновского и жесткого гамма-излучения, различным ядерным и фотоядерным реакциям, чего нельзя было достичь при использовании импульсов нано- и субнаносекундной длительности с энергией в десятки джоулей. В результате формируемая фемто- и пикосекундная лазерная плазма является своеобразным УнастольнымФ импульсным УмикроускорителемФ и Уядерным микрореакторомФ, отличающимся относительной компактностью, к которому не предъявляются специальные требования по радиационной безопасности. Такой источник допускает относительно простую возможность управления энергетическими и другими параметрами корпускулярного и электромагнитного излучений.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований можно определить следующие диапазоны изменения параметров образующейся лазерной плазмы: температура электронов составляет ~ 1 10 кэВ, температура быстрых электронов ~ 0.1 10 МэВ (с максимальной энергией свыше МэВ), температура быстрых протонов и ионов - от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ (с максимальной энергией протонов до 60 МэВ и ионов свыше 400 МэВ), величина пондеромоторного давления 1 50 Гбар, амплитуды электрического и спонтанного магнитного полей ~ 109 1012 В/см и ~ 1 700 МГс соответственно. Энергии высокоэнергетичных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, генерация позитронов, (p, n) ядерные реакции и т.д.

Исследование ядерных реакций синтеза в лазерной плазме проводилось одновременно с бурным развитием самой лазерной физики, где достаточно быстро произошел переход от умеренных интенсивностей ~ 1017 1018 Вт/см2 к более высоким интенсивностям 1019 1021 Вт/см2, соответствующим релятивистским условиям движения электронов создаваемой плазмы. При этом ядерные реакции синтеза в области умеренных интенсивностей ~1018 Вт/см2 не были достаточно подробно исследованы. В то же время исследование ядерных реакций синтеза в данной области интенсивностей представляет несомненный интерес, по крайней мере, в трех отношениях: для установления законов подобия по выходу ядерных реакций синтеза в зависимости от интенсивности лазерного излучения; для эффективного инициирования ядерных реакций синте3а за, обладающих резонансами сечений как раз в той области энергий частиц, ускоряемых лазерным излучением, которая соответствует указанным умеренным интенсивностям; из-за относительной доступности и эксплуатационной надежности лазерных установок, обеспечивающих интенсивности излучения ~1018 Вт/см2, по сравнению с крупными лазерными установками 100 ТВт 1 ПВт мощности, обеспечивающими интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1019 1021 Вт/см2.

Среди реакций синтеза наибольший интерес вызывают реакции синтеза, перспективные для использования в управляемом термоядерном синтезе (УТС):

D(d, n)3He, 6Li(d, )4He, 3He(d, p)4He, 11B(p, 3), 7Li(p, )4He, у которых основное энерговыделение идет в заряженных частицах (что сильно упрощает утилизацию этой энергии), а нейтронные потоки ослаблены по сравнению с реакцией T(d, n)4He, используемой в традиционной схеме УТС. Схема управляемого синтеза на реакции T(d, n)4He является лишь этапом, позволяющим продемонстрировать саму возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Анализ возможности использования перспективных ядерных реакций синтеза в схеме УТС с магнитным удержанием приводит к весьма жестким требованиям к соответствующим плазменным параметрам ввиду больших значений ионной температуры (свыше 100 кэВ), требуемой для поджига таких ядерных реакций.

В то же время, в плазме, создаваемой лазерами ПВт мощности, которые могут использоваться в схемах быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе [1-3], возможно достижение требуемых столь высоких температур ионов.

Однако до последнего времени в плазме, создаваемой мощными лазерами, из перечисленных выше перспективных ядерных реакций синтеза экспериментально исследовалась только одна реакция синтеза D(d, n)3He. При этом в недостаточной степени исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной реакции синтеза.

Таким образом, исследование перспективных ядерных реакций синтеза, инициируемых при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.

1.2. Цели диссертационной работы Основные цели работы заключались в следующем:

1. Создание специализированного лазерного комплекса для исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки Неодим 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на мишени 21018 Вт/см2, системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы.

2. Разработка методик проведения экспериментов по исследованию перспек6 3 тивных ядерных реакций D(d, n)3He, Li(d, )4He, He(d, p)4He, B(p, 3), Li(p, )4He, протекающих в лазерной пикосекундной плазме.

4а 3. Оптимизация условий генерации высокоэнергетичных заряженных частиц, инициирующих ядерные реакции, в том числе перспективные ядерные реакции синтеза в лазерной пикосекундной плазме.

4. Доказательство возможности инициирования перспективных ядерных реакций синтеза D(d, n)3He, 6Li(d, )4He, 3He(d, p)4He, 11B(p, 3), 7Li(p, )4He при взаимодействии лазерных импульсов с интенсивностью I 1018 Вт/см2 с твердотельными мишенями.

1.3. Научная новизна 1. Впервые проведено инициирование перспективных ядерных реакций синте6 3 11 за Li(d, )4He, He(d, p)4He, B(p, 3), Li(p, )4He при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

2. Обнаружено влияние предымпульсов различной длительности на выход нейтронов при инициировании D(d, n)3He реакции в лазерной пикосекундной плазме.

3. Впервые проведено инициирование перспективной ядерной реакции синтеза D(d, n)3He в пикосекундной лазерной плазме с использованием малоплотных = 10 40 мг/см3 мишеней на основе дейтерированного пенополиэтилена.

4. Обнаружено влияние спектрального состава усиливаемого лазерного импульса на выход нейтронов при инициировании D(d, n)3He реакции в лазерной пикосекундной плазме.

5. Определены оптимальные значения для параметров лазерного импульса по интенсивности, длине волны, длительности, поляризации, контрасту, для параметров мишени и геометрии эксперимента, при которых возможно значительно увеличить выход перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной пикосекундной плазме.

6. Обнаружено, что начиная с интенсивности 1018 Вт/см2 в распределении ионов по энергиям образуется интенсивный хвост, отвечающий генерации быстрых ионов с температурой около 350 кэВ.

7. Впервые в пикосекундной лазерной плазме при интенсивности лазерного излучения 21018 Вт/см2 проведено инициирование фотоядерных реакций Be(, n)2, 181Ta(, n)180Ta с пороговыми энергиями для -квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов 7Li(p, n)7Be, 63Cu(p, n)63Zn, 48Ti(p, n)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

8. Впервые зарегистрированы плазменные сателлиты рентгеновских линий ионов фтора в лазерной пикосекундной плазме, свидетельствующие о наличии сильных плазменных колебаний с частотой, заметно меньшей частоты лазерного излучения.

1.4. Практическая ценность работы 1. Результаты работы по исследованию перспективных ядерных реакций синтеза могут найти применение при разработке новых схем быстрого поджига 5а в инерциальном термоядерном синтезе с использованием перспективных ядерных топлив.

2. Созданный специализированный лазерный комплекс 10ТВт мощности позволяет на основе полученных экспериментальных результатов развернуть работы по созданию новых технологий, связанных с генерацией быстрых заряженных частиц и инициированием перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

3. Результаты работ позволяют существенно расширить фронт исследования ядерных реакций, в том числе перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме за счет привлечения лазерных установок 110ТВт мощности с интенсивностью на уровне 1018 Вт/см2, количество которых в научных и учебных институтах (университетах) значительно больше, чем количество крупных лазерных установок с мощностью 100ТВт 1ПТВт и интенсивностью 1019 1020 Вт/см2.

4. Результаты работ по разработке методик диагностики лазерной плазмы использовались при создании в НИИИТ (г. Москва) многоканальной автоматизированной системы диагностики для обеспечения исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме в ведущих научных центрах Росатома.

5. Результаты работы могут найти применения в следующих направлениях науки и технологии:

- исследование ядерных реакций, в т.ч. синтеза, протекающих в условиях высоких (более 109 К) температур, плотностей (более 102 г/см3), магнитных полей (более 108 Гс) с разработкой и созданием новых наукоемких технологий, прежде всего энергетических;

- экспериментальные исследования ядерных реакций, протекающих на астрофизических объектах путем моделирования соответствующих условий на созданной лазерной установке;

- исследование и создание основ энергетических технологий на базе безнейтронных (экологически чистых) реакций синтеза ядер;

- создание высокоинтенсивных источников нейтронов, электронов, заряженных ионов пикосекундной длительности для целей диагностики различных веществ и их состояний;

- диагностика лазерной плазмы, созданной при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями;

- технология производства радиоактивных изотопов.

1.5. Защищаемые положения 1. Созданный специализированный лазерный комплекс в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки Неодим 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на мишени 21018 Вт/см2, системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы позволяет проводить исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме.

6а 2. Созданные методики проведения экспериментов позволяют проводить исследования по инициированию перспективных ядерных реакций синтеза 6 3 11 D(d, n)3He, Li(d, )4He, He(d, p)4He, B(p, 3), Li(p, )4He в лазерной плазме на основе измерения количества и энергии нейтронов, протонов, -частиц - продуктов выхода данных ядерных реакций.

3. При взаимодействии интенсивных (21018 Вт/см2) пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза D(d, n)3He, Li(d, )4He, He(d, p)4He, 11B(p, 3), 7Li(p, )4He с выходом продуктов ядерных реакций 103 105 частиц за один лазерный импульс.

4. Выход нейтронов при инициировании ядерной реакции синтеза D(d, n)3He с использованием твердотельных (CD2)n мишеней с 1 г/см3 уменьшается при интенсивности наносекундного предымпульса более 1012 Вт/см2 и при интенсивности более 1013 Вт/см2 для пикосекундного предымпульса, опережающего основной импульс на 13 нс. При использовании мишеней из дейтерированного пенополиэтилена с плотностью = 10 40 мг/см3 выход нейтронов уменьшается при интенсивностях предымпульсов, превышающих пороги плазмообразования на поверхности мишени.

5. Искажение спектра чирпированного лазерного импульса в процессе усиления приводит к уменьшению выхода нейтронов - продуктов ядерной реакции синтеза D(d, n)3He.

6. В плазме, создаваемой пикосекундным лазерным импульсом с интенсивностью 21018 Вт/см2, генерируются электроны и -кванты с максимальной энергией 7.5 МэВ, узконаправленные пучки протонов с максимальной энергией 5 МэВ и температурой свыше 100 кэВ, ионы с температурой 350 кэВ.

7. При взаимодействии интенсивных (21018 Вт/см2) пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для иниции9 рования фотоядерных реакций Be(, n)2, Ta(, n)180Ta с пороговыми энергиями для -квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов Li(p, n)7Be, Cu(p, n)63Zn, 48Ti(p, n)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.