Запропонована ефективна модель, що описує перемішування речовин у процесі стиснення мішеней лазерного термоядерного синтезу, що допомагає відповісти на питання про вплив початкових умов на динаміку цього процесу.
У лазерному термоядерному синтезі потужні пучки лазера опромінюють мішень - кульку діаметром в кілька міліметрів, яка складається з дейтерій-тритієвого ядра і оболонки з інших речовин. В результаті стиснення і нагрівання мішені в DT-суміші створюються умови, при яких відбуваються реакції злиття дейтерію і тритію, утворюються ядра гелію (альфа-частинки) і нейтрони, виділяється велика кількість енергії, близько 18 МЕВ за одну реакцію, - відбувається ядерний мікровзрив. При лазерному опроміненні і стисненні мішені (в результаті випаровування і розльоту оболонки) між ядром і оболонкою виникає нестійкість, відбувається взаємне проникнення легкої і важкої речовини. З'являється неоднорідність призводить до зниження температури палива і щільностей стиснутих речовин, порушуючи симетричність стиснення мішені, що в підсумку знижує ефективність реакції.
Нестійкості можна було б уникнути, стискаючи мішень максимально симетрично, однак для цього знадобилося б нескінченне число лазерів, що, природно, неможливо. Хоча вивчати це завдання вчені почали ще півстоліття тому, коли лазерний термоядерний синтез тільки виник (використовувати лазери для проведення ядерних реакцій запропонували у ФІАНі в 1961 році Н.Г.Басов і О.Н.Крохін), нестійкості досі залишаються однією з ключових проблем в цьому напрямку фізики. Фахівці продовжують досліджувати нестійкості, намагаючись зрозуміти, чому вони виникають, як зростає зона перемішування важкої і легкої речовини, які при цьому виникають обурення і як боротися з таким явищем.
Модель, запропонована вченими з ФІАНу (під керівництвом головного наукового співробітника Сектора теорії лазерної плазми д.ф.-м.н. В.Б.Розанова) та Інституту математичного моделювання РАН, стала ще одним кроком у вивченні цієї проблеми. Головним підсумком роботи стала відповідь на питання, як початкові обурення, що визначаються як симетрією і однорідністю джерела енергії, так і якістю виготовлення самої капсули, впливають на ступінь стиснення і нейтронний вихід реакції.
Для побудови моделі вчені провели безліч численних одномірних (1D) і почесних (2D) розрахунків розвитку нестійкостей для «плоскої» і сферичної геометрії. Результати цих розрахунків містять детальну інформацію про стан речовин, розміри області перемішування та інші показники. Потім на їх основі (з урахуванням існуючих моделей) була розроблена теоретична модель для опису ширини і швидкості зростання зони турбулентного перемішування для широкого діапазону початкових умов.
Тим часом, фізики розраховують підвищити ефективність термоядерних реакцій за рахунок нових надпотужних лазерів. "Переваги лазерного випромінювання для ініціювання термоядерних реакцій полягають у відносній легкості його транспортування до мішені та його фокусування, можливості отримувати високі щільності потужності, необхідні для ефективного стиснення мішені, - розповідає учасник роботи, співробітник ФІАН, к. ф.-м.н. Рафаель Яхін. - У провідних лабораторіях світу існують і проектуються кілька потужних лазерних установок для опромінення мішеней. Найбільша з них на сьогоднішній день National Ignition Facility (NIF) знаходиться в Ліверморі, США. Вона являє собою систему з 192 лазерів на неодимовому склі з сумарною енергією всіх імпульсів 1,8 МДж і тривалістю кілька наносекунд, здатних фокусуватися в пляму розміром кілька міліметрів. У нас в Сарові в найближчі роки планується створити близьку за своїми параметрами до лазера NIF установку "
.Єще одне явище, в якому має місце розвиток гідродинамічних нестійкостей, - вибух і розліт наднових зірок. Зараз Рафаель Яхін займається дослідженням еволюції наднових зірок при вибуху. На основі численних кодів проводяться 1D і 2D гідродинамічні розрахунки, що моделюють динаміку процесів розльоту залишків наднової з масою близько 15 мас Сонця протягом декількох сотень секунд після моменту вибуху.З урахуванням критеріїв гідродинамічної подоби розглядаються можливі лазерні мішені-імітатори наднових, які дозволять в лабораторії відтворити фізичні процеси, що мають місце при вибуху астрофізичного об'єкта, такі як поширення ударної хвилі по речовині, розвиток гідродинамічних нестійкостей на кордонах різноплотних оболонок, формування залишкової хмари на місці вибуху наднової та ін
. На фото: всередині установки NIF. Праворуч - власник мішені (ілюстрація з офіційного сайту проекту - https://lasers.llnl.gov/)