Хольраум

Хольраум (нем. Hohlraum — «пустое пространство», «полость») — в физике и технике замкнутая полость с непрозрачными стенками, предназначенная для удержания и перераспределения теплового излучения. Наиболее известное применение хольраумы получили в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу (ИТС), где они используются для преобразования энергии лазеров или ионов в рентгеновское излучение, которое затем сжимает и нагревает термоядерное топливо.

Принцип работы

В основе работы хольраума лежит принцип абсолютно чёрного тела. Если полость имеет непрозрачные стенки и малое отверстие для входа излучения, то любое излучение, попавшее внутрь, после многократных отражений и переизлучений практически полностью поглощается стенками. В результате стенки нагреваются и сами начинают испускать тепловое излучение, которое стремится к равновесному спектру, характерному для температуры стенок. В случае с лазерным термоядерным синтезом лазерные лучи (обычно в видимом или ультрафиолетовом диапазоне) направляются внутрь хольраума через отверстия. Попадая на внутренние стенки, они нагревают их до температур в несколько миллионов кельвинов. Нагретые стенки начинают интенсивно излучать в рентгеновском диапазоне. Это рентгеновское излучение, в отличие от лазерного, обладает гораздо большей равномерностью и эффективностью при облучении термоядерной мишени (капсулы с дейтерием и тритием), расположенной в центре хольраума. Таким образом, хольраум выполняет роль преобразователя и выравнивателя излучения.

История

Концепция хольраума была предложена в 1972 году американскими физиками Джоном Никколлсом (John Nuckolls) и Лоуэллом Вудом (Lowell Wood) из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL). Изначально идея возникла в контексте разработки термоядерного оружия, где требовался способ равномерного обжатия термоядерного заряда. В 1970-х годах начались первые эксперименты на лазерных установках, таких как «Шива» (Shiva) и «Нова» (Nova) в LLNL. Однако значительные успехи были достигнуты лишь в 1990-х годах с вводом в строй установки «Национальный комплекс зажигания» (NIF, National Ignition Facility) в США. В 2022 году на NIF впервые был получен положительный энергетический выход в реакции термоядерного синтеза с использованием хольраума, когда энергия, выделившаяся в результате синтеза, превысила энергию лазерного импульса. В России исследования хольраумов ведутся в Российском федеральном ядерном центре — Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) в Сарове, а также в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и других научных центрах.

Устройство и конструкция

Типичный хольраум для лазерного термоядерного синтеза представляет собой полый цилиндр длиной от нескольких миллиметров до сантиметра. Материал стенок — обычно золото, уран или вольфрам, так как эти элементы имеют высокий атомный номер и, следовательно, высокую эффективность преобразования лазерного излучения в рентгеновское (высокий коэффициент конверсии). Внутренняя поверхность часто покрывается специальным слоем для улучшения поглощения. На торцах цилиндра имеются отверстия (диафрагмы), через которые внутрь вводятся лазерные лучи. В центре хольраума на тонких держателях (например, из полимерных нитей) помещается термоядерная мишень — капсула диаметром около 1-2 мм, содержащая замороженную смесь дейтерия и трития. В некоторых конструкциях, например, в схеме «двойной хольраум» (double-ended hohlraum), лазерные лучи вводятся с обоих торцов. Для уменьшения потерь энергии через отверстия используются специальные экраны или дополнительные лазерные импульсы, создающие плазменную пробку.

Применение

Инерциальный термоядерный синтез

Основное и наиболее известное применение хольраумов — в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу (ИТС). В схеме «непрямого облучения» (indirect drive) лазерные лучи не попадают непосредственно на термоядерную капсулу, а сначала нагревают стенки хольраума. Рентгеновское излучение, образующееся внутри, равномерно облучает капсулу со всех сторон, вызывая её имплозию (сжатие). Этот подход позволяет достичь более высокой симметрии обжатия, чем при прямом облучении, что критически важно для зажигания термоядерной реакции. В 2022 году на NIF был достигнут прорыв: в эксперименте с хольраумом была получена энергия термоядерного синтеза в 3,15 мегаджоуля, что превысило энергию лазерного импульса в 2,05 мегаджоуля. Это стало первым в истории лабораторным демонстрационным экспериментом с положительным энергетическим выходом.

Исследование свойств материи

Хольраумы используются для создания экстремальных условий температуры и давления, необходимых для изучения свойств вещества в состояниях, близких к тем, что существуют в недрах звёзд и планет-гигантов. Внутри хольраума можно получить температуры в несколько миллионов кельвинов и давления в сотни миллионов атмосфер. Это позволяет исследовать уравнения состояния, фазовые переходы, процессы переноса излучения и другие фундаментальные физические явления.

Астрофизика

Эксперименты с хольраумами моделируют процессы, происходящие в астрофизических объектах, таких как сверхновые, звёзды и аккреционные диски. Например, с их помощью изучают образование ударных волн, турбулентность плазмы и процессы переноса энергии в звёздных недрах. В России такие исследования проводятся на лазерной установке «Луч» в РФЯЦ-ВНИИЭФ.

Военные исследования

Разработка хольраумов изначально была связана с военными программами по созданию термоядерного оружия. Эксперименты на лазерных установках позволяют моделировать процессы, происходящие при взрыве термоядерного заряда, без проведения ядерных испытаний. Это позволяет поддерживать и совершенствовать ядерный арсенал в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). В США и России хольраумы используются в программах по обеспечению надёжности и безопасности ядерных боеголовок.

Типы и разновидности

Хольраумы классифицируются по нескольким признакам:

• По материалу стенок: золотые, урановые, вольфрамовые, а также из сплавов и композитных материалов.
• По геометрии: цилиндрические (наиболее распространённые), сферические, конические, а также «двойные» (с двумя отверстиями) и «многоапертурные».
• По способу нагрева: лазерные (наиболее распространённые), ионные (нагрев пучками ионов), комбинированные.
• По конструкции: с открытыми отверстиями, с экранами, с плазменными пробками.

Интересные факты

• Температура внутри хольраума в момент лазерного импульса может достигать 3-5 миллионов кельвинов, что сравнимо с температурой в центре Солнца.
• Давление внутри хольраума может превышать 100 миллиардов атмосфер.
• Время жизни хольраума составляет всего несколько наносекунд (миллиардных долей секунды), после чего он полностью разрушается.
• Для создания хольраума используются высокоточные технологии: допуски на размеры составляют доли микрометра.
• В 2021 году на NIF был проведён эксперимент, в котором хольраум был изготовлен из урана, что позволило повысить эффективность преобразования лазерного излучения в рентгеновское.

Критика и ограничения

Несмотря на успехи, технология хольраумов имеет ряд ограничений. Основная проблема — низкая эффективность преобразования энергии лазера в рентгеновское излучение (обычно 10-20%). Остальная энергия теряется на нагрев стенок и улетучивается в виде плазмы. Кроме того, высокая стоимость и сложность изготовления хольраумов (особенно из урана) ограничивают их широкое применение. Существуют также альтернативные схемы ИТС, такие как прямое облучение (direct drive) и быстрый зажиг (fast ignition), которые не требуют использования хольраума. Критики отмечают, что хольраумный подход требует чрезвычайно высокой точности и стабильности лазерных импульсов, что делает его менее надёжным по сравнению с некоторыми другими методами.

Источники

• Nuckolls, J., Wood, L., Thiessen, A., & Zimmerman, G. (1972). Laser Compression of Matter to Super-High Densities: Thermonuclear (CTR) Applications. Nature, 239(5368), 139-142.
• Lindl, J. D. (1995). Development of the indirect-drive approach to inertial confinement fusion and the target physics basis for ignition and gain. Physics of Plasmas, 2(11), 3933-4024.
• Hurricane, O. A., et al. (2014). Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion. Nature, 506(7488), 343-348.
• Zylstra, A. B., et al. (2022). Burning plasma achieved in inertial fusion. Nature, 601(7894), 542-548.
• Материалы Российского федерального ядерного центра — Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ).