آزمایش‌هایی در گداخت همراه با محصورساختن لخت

اساس روش گداخت با محصورسازی لخت، تراكم و گرم كردن مخلوطی از دوتریوم و تریتیوم(DT) در یك كپسول كوچك تا شرایط اشتعال است. انرژی محرك را می‌توان از لیزری كانونی شده و یا از باریكه‌های ذره‌ای فراهم آورد، ولی در حال حاضر بیشتر آزمایش‌ها با لیزرهای كوتاه موج و پرقدرت انجام می‌گیرد. تحقق كامل مزایای بالقوه گداخت با محصورسازی لخت (ICF) مستلزم رسیدن به بهره زیاد است – یعنی رسیدن به بازده 500 – MJ1000 به كمك یك محرك چند مگاژولی. رسیدن به اشتعال و شرایط سر به سر یك دستاورد علمی است، ولی بهره زیاد لازم است تا بتوان به چنان شارهای زیاد پرتو x و نوترونی دست یافت كه هم كاربردهای نظامی و غیر نظامی داشته باشد و هم امكان علمی تولید اقتصادی نیرو با ICF را محرز كند.
برای حصول به بهره زیاد با انرژی محرك 5 تا MJ10، شرایط لازم برای تراكم سریع كپسول محدود است. چند میلی‌گرم سوخت DT باید تا چگالی حدود 3cm/g200 متراكم شود و حاصلضرب چگالی – شعاع (پارامتری شبیه پارامتر محصورسازی nτ در گداخت با محصورسازی مغناطیسی) در حدود 3cm/g3 است. احتراق گرما هسته‌ای باید در دمای زیاد (3-keV5) در نقطه سوزان مركزی (كه چند درصد حجم سوخت را تشكیل می‌دهد) آغاز شود؛ ذرات آلفای تولید شده انرژی خود را به طور موضعی از دست می‌دهند و سبب سوختن در قسمت اصلی و متراكم سوخت كه این نقطه را احاطه كرده است، می‌شوند. سرعت تراكم سریع كپسول كروی باید به دقت 1% یكنواخت باشد تا یك تراكم متقارن ایجاد كند، و سهم ناپایداری شاره‌ای سربه‌سر ذوب كننده به حداقل برسد. برای حصول به كمترن انرژی محرك، پیوند محرك – هدف باید بسیار مؤثر و پیش‌گرمایی سوخت، كم باشد. پیش‌گرمایی حاصل از ضربه‌های اولیه، پرتوهایx و الكترون‌های داغ باید به حداقل رسانده شود تا سوخت در طول تراكم سرد بماند. تركیب ناپایداری شاره‌ای و مسائل مربوط به پیشگرمایی ایجاب می‌كنند كه شكل دادن به تپ محرك به تدریج صورت گیرد.
دو روش اصلی برای تراكم سریع ساچمه‌های JCF وجود دارد؛ رانش مستقیم و رانش غیر مستقیم. در رانش مستقیم، انرژی محرك، مستقیماً بر ساچمه سوخت متمركز می‌شود و نواحی خارجی آن را ذوب و تبخیر می‌كند و این امر سبب تراكم سریع میشود. در رانش غیر مستقیم انرژی محرك به شاری از پرتوهای x نرم تبدیل می‌شود كه آن هم تراكم سریع كپسول سوخت را موجب می‌شود.
از انگیزه‌های پژوهش JCF در سراسر جهان یكی به فیزیك برهم‌كنش لیزر پلاسما مربوط می‌شود، كه عبارت از جذب انتقال و افراز انرژی و تبدیل انرژی محرك به پرتو x است. به خصوص در زمینه فهم رابطه مقیاس این فرایندها با اندازه پلاسماهایی كه با هدف‌های پر بهره ICF متناظر است. پیشرفت‌هایی حاصل شده است. شرایط و روش‌های لازم برای ایجاد تراكم‌های سریع متقارنی كه با رشد ناپایداری‌های دینامیكی شاره، به شدت نفرساید نیز از حوزه‌های اصلی مطالعه است. برای اندازه‌گیری دقیق چگالی و دمایی كه در سوخت متراكم شده تحقق می‌یابد، تكنیك‌های تشخیصی (دیاگنوستیكی) تعبیه شده است.
دستگاه لیزر شیشه – نئودیمیوم Nova از رده TW100، با انرژی kJ100 در آزمایشگاه ملی لاورنس – لیورمور آماده انجام آزمایش‌هایی با نور (فركانس تبدیل یافته) به طول موج‌های 53ر0 و μm35ر0 در اتاقك‌های دوهدفی است. این دستگاه امكان بسط آزمایش‌های مربوط به برهم‌كنش لیزر موج كوتاه با هدف و آزمایش‌های تراكم سریع را به مقیاس‌هایی فراهم آورده است كه با هدف‌های پر بهره نهایی بیشتر مناسبت دارد. نتایج اخیر مربوط به برهم‌كنش اساسی لیزر 0 هدف شامل تعیین كارایی تبدیل پرتو x برحسب شدت لیزر است.
Nova با رانش مستقیم در حباب‌های ریز شیشه‌ای پر از DT بازده گداخت بی سابقه 1013 نوترون را برای ICF (متناظر با بهره گداخت 18ر0%) فراهم آورده است. منظور از این هدف‌ها این است كه به عنوان چشمه‌های نوترون MeV14 برای كارهای تشخیصی نوترونی به كار گرفته شوند.
نتایج اولین تراكم سریع با رانش غیرمستقیم (پرتو x) كه در Nova انجام شده با مقادیر محاسبه شده كمیت چگالی – زمان در گستره چگالی 3cm/s1014×3-5ر1 در دمای یونی اندازه‌گیری شده keV7ر1 – 5ر1، توافق دارد. برای به دست آوردن این نتیجه، KJ18 نور، به طول موج μm35ر0 به كار رفته است. نتیجه هر دو آزمایش، با شبیه سازی‌های كامپیوتری قبل از آزمایش، كاملاً سازگار است. انتظار می‌رود كه در آینده با استفاده از ظرفیت كامل Nova (تپ‌های 50 تا KJ80، μm35ر0، 5ر1 تا ns3) و هدف‌های بهینه شده، بهبود قابل ملاحظه‌ای در كیفیت كار هدف حاصل شود.
بررسی جامع برنامه ICF ایالات متحده را یك كمیته بررسی فنی زیر نظر آكادمی ملی علوم انجام داده است. كمیته بررسی قبلی هدف‌های تحقیقاتی زیر را برای پیشرفت ICF، مهم شمرده بود؛ (1) ضرورت استفاده از لیزرهایی با طول موج كوتاه‌تر؛ (2) یك برنامه آزمایشگاهی جدی، برای پی بردن به مسائل مربوط به پیوند انرژی لیزری به كپسول؛ (3) اجرای مجددانه برنامه‌ای برای بررسی مشخصات طرح هدف‌های كارای ICF و توجه بیشتر به ساختن هدف؛ (4) پژوهش در زمینه محرك‌های یونی، كمیته فعلی، ضمن بررسی متوجه شد كه پیشرفتی قابل ملاحظه در زمینه پیشنهادهای فوق صورت گرفته است.
مطالب زیر گزیده‌هایی از خلاصه گزارش نهایی است: از زمان بررسی تاكنون روشن شده است كه تعداد زیاد الكترون‌های داغی كه توسط تابش لیزر 2CO موج بلند μm10، تولید می‌شود هدف‌ها را بیش از آن گرم می‌كنند كه تراكم‌های سریع پر بهره حاصل شود. به همین دلیل به كار لیزر 2CO در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (LANL) پایان داده شده است.
آزمایش‌هایی كه در دانشگاه راچستر (UR) و آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (LLNL) با استفاده از تابش لیزر شیشه – نئودیمیوم دوبرابر (μm53ر0)، سه برابر (μm25ر0) انجام شده‌اند مؤید آن بوده‌اند كه پیوند با هدف در طول موج‌های كوتاه‌تر بهبود پیدا می‌كنند. حال دیگر می‌توان گفت كه با توجه به سازگاری پیش بینی‌ها و مشاهدات فیزیك پلاسمای جذب اصلاح شده را درك كرده‌ایم.
لیزر نوا تكمیل شده است و می‌تواند KJ60 تابش با طول موج μm0ر1 و KJ25 تابش با طول موج μm35ر0 تولید كند. یك لیزر KrF كه مستقیماً KJ10 تابش با طول موج μm25ر0 تولید می‌كند در لوس آلاموس ساخته شده است. برای كوتاه كردن طول تپ طبیعی KrF از ns500 به چند ns كه برای رانش هدف لازم است، باید تكنیك‌هایی تعبیه شود. یك روش امیدبخش و جدید برای كاهش ناپایداری‌های پلاسما و بهبود ناهمدوسی فضایی القایی (ISI) ناشی از تقارن كه با لیزرهای باند پهن به كار می‌رود، در آزمایشگاه پژوهشی نیروی دریایی (NRL) به نتیجه رسیده است. لیزر 24 باریكه‌ای اومگا در UR تكمیل شده است و در آینده نزدیك در دستگاه اصلی رانش مستقیم ایالات متحده امریكا به كار گرفته خواهد شد. شركت فیوژن، تنها مؤسسه خصوصی كه در برنامه ICF دخالت دارد در كار ساخت هدف و روش‌های تحقیق فیزیك پلاسمای هدف‌ها پژوهش‌های مهمی انجام داده و می‌دهد.
شتاب‌دهنده یون سبك PBFAII آزمایشگاه ملی سندیا (SNL) بالقوه می‌تواند 1 تا 2 مگاژول در مدت ns10 انرژی به هدف بدهد. ساختمان اصلی این دستگاه تكمیل شده است و آزمایش‌های اولیه سیستم الكتریكی آن در حال انجام است. متمركز كردن یك باریكه یونی بر روی هدفی با شكل تپ مناسب، مستلزم كار خیلی زیادتری است. اگر چه كمیته NAS شتاب دهنده یون‌های سنگین را برای ICF در نظر نگرفته است، آزمایش‌ها و بررسی‌های اخیر نشان می‌دهد كه احتمالاً می‌توان جریان‌های باریكه‌ای بزرگ‌تری را نسبت به آنچه قبلاً تصور می‌رفت، انتقال داد و كانونی كرد. این مطلب امكان ساخت یك محرك یون سنگین را در گستره 5 تا 10 مگاژول با نخارجی كمتر از آنچه قبلاً گمان می‌شد، به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داده است. چشم انداز موفقیت نهایی ICF هرگز روشن‌تر از این نبوده است.