Численное моделирование экспериментов по взаимодействию мощных ультрафиолетовых лазерных импульсов с конденсированными мишенями

Цели. Цель исследования - обзор и анализ результатов работ, посвященных численному моделированию экспериментов по взаимодействию мощных ультрафиолетовых (УФ) лазерных импульсов с конденсированными мишенями. Натурные эксперименты были выполнены в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН на мощном криптон-фтор (KrF) лазере «ГАРПУН». Актуальность исследований связана с тем, что эксимерные УФ-лазеры являются одним из основных претендентов на драйвер в термоядерном реакторе. Физика взаимодействия такого излучения с плазмой имеет свою специфику. Обсуждается возможность использования мишеней в виде встречных конусов в таком ядерно-термоядерном реакторе.

Методы. Для моделирования лазер-плазменных процессов используются физико-математические модели, лагранжевы и эйлеровы методики, двумерные программы в цилиндрических и сферических координатах.

Результаты. Представлены результаты численного моделирования трех типов экспериментов: а) прожигание УФ-лазером алюминиевых фольг различной толщины; б) изучение развития гидродинамической неустойчивости при ускорении тонких полимерных пленок мощным УФ-импульсом и особенностей формирования турбулентного слоя; в) взаимодействие мощных УФ-импульсов с двухслойными мишенями (алюминий + оргстекло) и исследование «тонких» структур, формирующихся в веществе. На основании численных расчетов показано, что в гибридном реакторе с УФ-лазерным драйвером могут применяться мишени в виде двухсторонних встречных конусов.

Выводы. Развиты физико-математические модели и апробированы двумерные программы в эйлеровых и лагранжевых координатах на натурных экспериментах, позволяющие описывать физику взаимодействия мощных УФ-лазерных импульсов с мишенями различной конструкции. Это дает возможность прогнозировать эксперименты реакторного масштаба.

1. Басов Н.Г., Крохин О.Н. Условия разогрева плаз - мы излучением оптического генератора. ЖЭТФ. 1964;46(1):171-175.

2. Басов Н.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б. Физика лазерного термоядерного синтеза. М.: Знание; 1988. 176 с.

3. Atzeni S. Laser driven inertial fusion: The physical basis of current and recently proposed ignition experiments. Plasma Phys. Control Fusion. 2009;51(12):124029. https://doi.org/10.1088/0741-3335/51/12/124029

4. Гаранин С.Г., Бельков С.В., Бондаренко С.В. Концепция построения лазерной установки УФЛ-2М. В сб.: Доклады XXXIX Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Звенигород; 2012. С. 17.

5. Moses E.I. and NIC Collaboration. The National Ignition Campaign: status and progress. Nucl. Fusion. 2013;53(10):104020. https://doi.org/10.1088/0029-5515/53/10/104020

6. Ebrardt J., Chapt J.M. LMJ on its way to fusion. J. Phys: Conf. Ser: 2010;244(3):032017. https://doi.org/10.1088/1742-6596/244/3/032017

7. Le PS., Hopkins B.L.F., Divol L., et. al. Fusion energy output greater than the kinetic energy of an imploding shell at the National Ignition Facility. Phys. Rev. Lett. 2018;120(24):245003. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.245003

8. Clery D. Laser-powered fusion effort near ‘ignition'. Science. 2021;373(6557):841. https://doi.org/10.1126/science.373.6557.841

9. Clark D.S., Casey D.T., Weber C.R., et al. Exploring implosion designs for increased compression on the National Ignition Facility using high density carbon ablation. Phys. Plasmas. 2022;29(5):052710. https://doi.org/10.1063/5.0087052

10. He X.T., Zhang W.Y., and Chinese ICF Team. Advances in the national inertial fusion program in China. EPJ Web of Conference. 2013;59:001009. https://doi.org/10.1051/epjconf/20135901009

11. Zhen W., Wei X., Zhu Q., Jing F., et al. Laser performance of the SG-III laser facility. High Power Laser. Sci. Eng. 2016;4:e21. https://doi.org/10.1017/hpl.2016.20

12. Лебо И.Г., Тишкин В.Ф. Исследование гидродинамической неустойчивости в задачах лазерного термоядерного синтеза. М.: Физматлит; 2006. 304 с. ISBN 5-9221-0683-X

13. Кузенов В.В., Лебо А.И., Лебо И.Г., Рыжков С.В. Физико-математические модели и методы расчета воздействия мощных лазерных и плазменных импульсов на конденсированные и газовые среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2015. 327 с. ISBN 978-5-7038-4183-9

14. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука; 1990. 616 с. ISBN 5-02-014576-9

15. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука; 1992. 422 с. ISBN 5-02-014577-7

16. Zvorykin V.D., Lebo I.G. Laser and target experiments on KrF GARPUN laser installation at FIAN. Laser Part. Beams. 1999;17(1):69-88. https://doi.org/10.1017/S0263034699171064

17. Richmyer R.D. Taylor instability in shock acceleration of compressible fluids. Commun. Pure Appl. Math. 1960;13(2):297-319. https://doi.org/10.1002/cpa.3160130207

18. Мешков Е.Е. Неустойчивость границы раздела двух газов, ускоряемой ударной волной. Известия АН СССР. Сер. Механика жидкости и газа. 1969;5:151-158. URL: https://mzg.ipmnet.ru/ru/get/1969/5/151-158

19. Зворыкин В.Д., Лебо И.Г. Применение мощного KrF-лазера для исследования сверхзвуковых течений газа и развития гидродинамических неустойчивостей в слоистых средах. Квантовая электроника. 2000;30(6):540-544.

20. Lebo I.G., Zvorykin V.D. The study of turbulent mixing zone development in laser shock tube experiments. Phys. Scr. 2008;2008(T132):014018. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2008/T132/014018

21. Беленький С.З., Фрадкин Е.С. Теория турбулентного перемешивания. Труды ФИАН. 1965;29:207-233.

22. Фрадкин Е.С. Исследование устойчивости произвольного одномерного гидродинамического течения. Труды ФИАН. 1965;29:250-256.

23. Zvorykin V., Lebo I., Shutov A., Ustinovskii N. Self-focusing of UV radiation in 1 mm scale plasma in a deep ablative crater produced by 100 ns, 1 GW KrF laser pulse in the context of the ICF. Matter Radiat. Extremes. 2020;5(30):03540. https://doi.org/10.1063/1.5142361

24. Craxton R.S., Anderson K.S., Boehly T.R., et al. Direct drive inertial confinement fusion: A review. Phys. Plasmas. 2015;22(1):110501. https://doi.org/10.1063/1.4934714

25. Craxton R.S., McCrory R.L. Hydrodynamics of thermal self-focusing in laser plasmas. J. Appl. Phys. 1984;56(1):108. https://doi.org/10.1063/1.333742

26. Лебо И.Г. О моделировании самофокусировки светового пучка в плазме при облучении мишеней мощным ультрафиолетовым лазером. Russ. Technol. J. 2021;9(1):79-86. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-1-79-86

27. Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Хохлов Р.В. Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде. УФН. 1967;93(1):19-70. https://doi.org/10.3367/UFNr.0093.196709c.0019

28. Sodha M.S., Tripathi V.K. Nonlinear penetration of an inhomogeneous laser beam in an overdense plasma. Phys. Rev. A. 1977;16(5):2101-2104. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.16.2101

29. Басов Н.Г., Субботин В.И., Феоктистов Л.П. Ядерный реактор с лазерным термоядерным источником нейтронов. Вестник Российской академии наук. 1993;63(10):787-884.

30. Басов Н.Г., Белоусов Н.И., Гришунин П.А., Калмыков Ю.К., Лебо И.Г., Розанов В.Б., Склизков Г.В., Субботин В.И., Финкельштейн К.И., Харитонов В.В., Шерстнев К.Б. Гибридный реактор на основе лазерного термоядерного синтеза. Квантовая электроника. 1987;14(10):2068-2081.

31. Зворыкин В.Д., Лебо И.Г., Розанов В.Б. О возможности создания источника термоядерных нейтронов на основе KrF-лазера. Краткие сообщения по физике. 1997;(9-10):20-29.

32. Лебо И.Г., Исаев Е.А., Лебо А.И. Двухсторонняя лазерная коническая мишень для нейтронного источника ядерно-термоядерного реактора. Квантовая электроника. 2017;47(2):106-110.

33. Долголева Г.В., Лебо И.Г. К вопросу о разработке нейтронного источника для ядерно-термоядерного реактора с лазерным возбуждением. Квантовая электроника. 2019;49(8):796-800.

34. Долголева Г.В. Методы расчета движения двухтемпературного излучающего газа. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Методики и программы численного решения задач математической физики. 1983;2(13):29-33.

35. Бельков С.А., Долголева Г.В. Модель среднего иона для расчета кинетики ионизации, населенностей возбужденных уровней и спектральных коэффициентов переноса излучения в программе СНДП. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Методики и программы численного решения задач математической физики. 1992;1:59-61.

36. Долголева Г.В., Лебо А.И., Лебо И.Г. Моделирование сжатия термоядерных мишеней на уровне энергии лазера порядка 1 МДж. Матем. моделирование. 2016;28(1):23-32.

37. Красюк И.К., Семенов А.Ю., Чарахчьян А.А. Использование конических мишеней в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу. Квантовая электроника. 2005;35(9):769-777. URL: https://www.mathnet.ru/links/a64472a2c6918f95785286b47b113907/qe6128.pdf

38. Zvorykin V.D., Didenko N.V., Ionin A.A., et al. GARPUN-MTW: A hybrid Ti:Sapphire/KrF laser facility for simultaneous amplification of subpicosecond/nanosecond pulses relevant to fast-ignition ICF concept. Laser Part. Beams. 2007;25(3):435-451. https://doi.org/10.1017/S0263034607000559

39. Зворыкин В.Д., Левченко А.О., Устиновский Н.Н. Усиление субпикосекундных УФ импульсов в многокаскадной лазерной Тгсапфир-ЮГ-системе ГАРПУН-МТВ. Квантовая электроника. 2010;40(5):381-385.

40. Неуважаев В.Е. Математическое моделирование турбулентного перемешивания. Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ; 2007. 160 с. URL: https://math.csu.ru/new_files/students/lectures/ur_mat_fiz/neyvajaev_mat_model.pdf

41. Невмержицкий Н.В. Гидродинамические неустойчивости и турбулентное перемешивание веществ. Лабораторное моделирование. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ; 2018. 245 с. ISBN 978-5-9515-0377-0

42. Янилкин Ю.В., Стаценко В.П., Козлов В.И. Математическое моделирование турбулентного перемешивания в сжимаемых средах: в 2-х т. Т. 1. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ; 2019. 357 с. ISBN 978-5-9515-0421-0

43. Янилкин Ю.В., Стаценко В.П., Козлов В.И. Математическое моделирование турбулентного перемешивания в сжимаемых средах: в 2-х т. Т. 2. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ; 2020. 407 с. ISBN 978-5-9515-0458-6

44. Разин А.Н. Моделирование турбулентного перемешивания в газовых слойках. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ; 2020. 290 с. ISBN 978-5-9515-0434-0

45. Лебо И.Г., Обручев И.В. Моделирование двумерных вихревых течений в цилиндрическом канале с помощью параллельных вычислений на суперкомпьютере. Russ. Technol. J. 2022;10(1):60-67. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-1-60-67

46. Obenschain S., Lehmlerg R., Kehne D., et al. High-energy krypton-fluoride laser for inertial fusion. Appl. Opt. 2015;54(31):F103-F122. http://dx.doi.org/10.1364/AO.54.00F103

47. Sethian J., Obenschain S. Fusion energy with krypton fluoride lasers and direct drive targets. Fusion Sci. Technol. 2012;61(1T):41-46. https://doi.org/10.13182/FST12-A13394

48. Wolford M.F., Sethian J.D., Myers M.C., Hegeler F., Giuliani J.L., Obenschain S.P. Krypton fluoride (KrF) laser for inertial fusion energy. Fusion Sci. Technol. 2013;64(2):179-186. https://doi.org/10.13182/FST12-502

49. Bodner S.E. The path to electrical energy using laser fusion. High Power Laser Science and Engineering. 2019;7:e63. https://doi.org/10.1017/hpl.2019.51

50. Schmitt A.J., Obenschain S.P. The importance of laser wavelength for driving inertial confinement fusion targets. I. Basic physics. Phys. Plasmas. 2023;30(1):012701. https://doi.org/10.1063/5.0118080

51. Schmitt A.J., Obenschain S.P. The importance of laser wavelength for driving inertial confinement fusion targets. II. Target design. Phys. Plasmas. 2023;30(1):012702. https://doi.org/10.1063/5.0118093