65 лет ВНИИЭФ. Физика и техника высоких плотностей энергии. В 2-х выпусках. Выпуск 2

ФГУП 
«Российский федеральный ядерный центр – ВНИИЭФ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
65 лет ВНИИЭФ 
 
ФИЗИКА И ТЕХНИКА  
ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ 
 
 
 
 
Выпуск 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2011 

Раздел 1 

 

2

ББК 22.3 
Ш 52 
УДК 533.7 
 
65 лет ВНИИЭФ. 
Физика и техника высоких плотностей энергии: Научное издание. – 
В 2-х выпусках. Выпуск 2. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011. – 444 с. – ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0170-7 
 
 
Второй выпуск сборника включает статьи, охватывающие широкий диапазон 
областей физики: 
– от метода функционала плотности, позволяющего решать квантово-механическую задачу о кривой холодного сжатия веществ, до микроволновой диагностики 
ударно-волновых и детонационных процессов; 
– от неустойчивости Рихтмайера – Мешкова до кинетики формирования осадков 
в облачных системах; 
– от исследования быстропротекающих гидродинамических процессов с помощью многокадровой протонографии до истории создания и развития методов физических измерений при полигонных испытаниях. 
Подробно обсуждаются особенности различных рабочих сред лазеров, созданных 
во ВНИИЭФ, и способы их накачки, порождающие большое разнообразие свойств 
этих лазеров и возможностей их приложений. Заканчивает выпуск статья об истории 
ядерно-физических исследований, выполненных в интересах фундаментальной науки. 
Сборник предназначен для ученых, инженеров, аспирантов и студентов, занимающихся исследованиями в области физики высоких плотностей энергии и физики лазеров. 
Может быть, полезную информацию здесь найдут и те, кто интересуется историей Атомного проекта СССР и историей науки и техники. 
 
 
 
Редакционная коллегия: 
академик РАН  Р. И. Илькаев (председатель),  
д-р физ.-мат. наук Р. Ф. Трунин, д-р физ.-мат. наук Н. В. Завьялов, 
д-р физ.-мат. наук Г. Г. Кочемасов, Е. В. Куличкова, 
д-р физ.-мат. наук Л. С. Мхитарьян 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0170-7                                      © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011 

 

 

 

УДК 532.511 + 621.039.646 
 
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ 
 
К истории вопроса, о современном состоянии и перспективах 
 
А. Л. Михайлов, В. С. Сасик 
 
Обсуждается оригинальное направление инерциального термоядерного синтеза, основанное на использовании явления кумуляции плотности энергии для возбуждения термоядерной реакции в центре сферического заряда ВВ. 
Коротко затронута история его возникновения и развития, приведены основные направления исследований и рекордные результаты. Рассмотрены современное состояние и перспективы ГДТС. 
 
 
К настоящему времени число открытых публикаций по газодинамическому 
термоядерному синтезу (ГДТС) достигло десятков единиц. Среди них присутствует и ряд обзорных статей, написанных участниками этих работ, теми, кто непосредственно связан с историей ГДТС [1–3]. В них подробно изложены более 
чем полувековой путь исследований по ГДТС, достижения и неудачи, проблемы, 
которые приходилось тогда преодолевать. Данная статья подготовлена в первую 
очередь на основе этих публикаций. В ней также коротко отражены работы последних лет, проводимые по проблеме ГДТС во ВНИИЭФ. 
Начало работам по газодинамическому термоядерному синтезу в СССР, 
во ВНИИЭФ, положило предложение А. С. Козырева об использовании явления кумуляции плотности энергии (увеличение давления на фронте сходящейся 
сферически-симметричной ударной волны) для возбуждения термоядерной реакции в центре сферического заряда взрывчатого вещества (ВВ), инициируемого 
по его наружной поверхности. В архиве РФЯЦ-ВНИИЭФ имеется рассекреченный в настоящее время отчет (предложение) А. С. Козырева 1946 –1947 гг. 
«1. Практический метод получения сверхвысоких температур и давлений 
при помощи сферического детонационного концентратора энергии и импульса 
взрыва (СДКЭ). 
2. О возможности применения СДКЭ для освобождения внутриядерной 
энергии путем осуществления теплового ядерного взрыва тяжелого водорода». 
В 2005 г. этот отчет, как представляющий исторический интерес, был переиздан в институте на русском и английском языках [4]. 
 
 

А. Л. Михайлов, В. С. Сасик 

 

4

 
 
История с реализацией предложения А. С. Козырева была далеко не простой. В архиве имеются его служебная переписка по этому вопросу с Ю. Б. Харитоном [5], заключение на «докладную записку А. С. Козырева» А. Ф. Беляева 
(известный специалист по ВВ, автор нескольких монографий, в то время начальник отдела ВВ КБ-11), Я. Б. Зельдовича, Д. А. Франк-Каменецкого, Е. И. Забабахина и даже служебная записка А. С. Козырева в «компетентные органы» 
(см. репринтную копию отрывков из этой записки). 
 

 
А. С. Козырев 

 
 
 
В КБ-11 (ВНИИЭФ) с 1948 г. Работал старшим инженером, начальником группы, начальником отдела. Кандидат технических наук по специальности «Физика взрыва» (1958 г.). 
За участие в разработке проверенной системы инициирования заряда из взрывчатых веществ и конструкции аппаратуры и системы автоматического зажигания для первой атомной 
бомбы, испытанной в 1949 г., А. С. Козырев награжден орденом Ленина (Указ Президиума Верховного Совета СССР от 29 октября 1949 г.). 
Лауреат Государственной (1955 г.) и Ленинской (1966 г.) премий. 

Газодинамический термоядерный синтез 

 

5

 
 
С мертвой точки дело сдвинулось в апреле 1952 г., два с половиной года 
спустя после успешного испытания первой советской атомной бомбы РДС-1, разработкой системы инициирования которой занимался А. С. Козырев [5]. 
Расчетно-теоретические работы по ГДТС были начаты во ВНИИЭФ в 1951 г. 
Я. Б. Зельдовичем, Н. А. Поповым и В. А. Александровым. Постоянное внимание 
к этим работам проявлял и Е. И. Забабахин. Численные оценки показали, что в заряде ВВ радиусом ≈ 50 см для достижения высоких температур (≈ 2 кэВ), необходимых для возбуждения самоподдерживающейся термоядерной реакции (зажигания), требуется сферически-симметричное «схождение» оболочки вплоть до радиуса в несколько десятых долей миллиметра. При этом условии термоядерную 
вспышку удалось бы возбудить в D–T-смеси массой ≈ 10–3 г. 
Долгие годы экспериментальные работы по ГДТС осуществлялись во 
ВНИИЭФ под руководством Л. М. Тимонина. В настоящее время эти работы 
ведутся под руководством директора ИФВ РФЯЦ-ВНИИЭФ А. Л. Михайлова, а 
научное руководство возглавляет Почетный научный руководитель ВНИИЭФ, 
академик РАН В. Н. Михайлов. 
В 1954 г. впервые экспериментально было установлено рождение термоядерных нейтронов в центре сферического заряда ВВ, причем – по факту инициирования цепной ядерной реакции в реальном атомном боевом заряде. Можно 
только завидовать и удивляться научной смелости и уверенности ученых и руководства ВНИИЭФ и Минсредмаша в те годы. 

А. Л. Михайлов, В. С. Сасик 

 

6

Газодинамический термоядерный синтез 

 

7

 
… 

 
 
… 

А. Л. Михайлов, В. С. Сасик 

 

8

В начале 1955 г. группой физиков под руководством Ю. С. Замятнина была создана высокочувствительная (до ≈ 104 нейтронов за импульс) аппаратура 
для измерения малых импульсов нейтронов, т. е. так называемый метод затянутой 
регистрации (МЗР) [6]. И тогда же впервые на внутреннем полигоне ВНИИЭФ 
был зарегистрирован выход 108 термоядерных нейтронов в импульсе при фокусировке сферической сходящейся ударной волны в мишени из UD2T, помещенной в центре гидродинамического макета, не содержавшего делящихся материалов. Именно этот результат имел в виду Л. А. Арцимович, упоминая в своем 
докладе в 1958 г. на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии о первых работах по газодинамическому термоядерному синтезу 
в Советском Союзе [7]. За первые три года исследований было проведено около ста опытов с обжатием в фокусе сферического заряда тяжелых изотопов 
водорода и дейтерид-тритидов различных металлов. 
В 1958–1959 гг. на применявшихся в экспериментах так называемых многокаскадных системах был достигнут уровень нейтронного выхода, составивший ≈ 5 ⋅ 109 нейтр./импульс, однако это было на 3– 4 порядка меньше, чем предсказывали идеальные расчеты. Необходимо было искать иные подходы к решению задачи. В 1959 г. Е. И. Забабахин предложил новую многослойную автомодельную кумулирующую систему, состоящую из чередующихся пар слоев малой 
и большой плотности. Он установил, что автомодельные слоистые системы позволяют существенно повысить кумуляцию энергии по сравнению с ранее исследовавшимися системами [8]. Система получила название «слойки Забабахина». 
С этого времени заряды со слоистыми системами становятся одним из основных инструментов исследований в ГДТС. 
Интересные данные были получены в 1965 г. в серии опытов по определению 
размеров горячей зоны в термоядерной мишени, помещенной в фокусе сферического заряда ВВ [9]. Выявленная малость горячей зоны наводила на серьезные 
сомнения в возможности точной фокусировки ударной волны в центр мишени. 
Практические потребности послужили толчком к началу проведения во 
ВНИИЭФ Е. Е. Мешковым и его сотрудниками в 1964 г. модельных экспериментов на ударной трубе по исследованию процессов развития неустойчивости и перемешивания на контактных границах различных сред. В дальнейшем эти исследования были широко развиты во ВНИИЭФ, вылились в самостоятельное направление 
и получили международное признание. В результате в мировой науке один из видов 
неустойчивости получил название неустойчивости Рихтмайера – Мешкова. 
Применение слоистых систем для целей ГДТС, их оптимизация привели 
в конечном счете к максимальному результату в ≈ 3 ⋅ 1011 нейтронов. Но и этот 
результат оказался на 3 – 4 порядка меньше расчетного. Разрыв в величине экспериментального и расчетного нейтронного выхода привел к необходимости разработки 
новой конструкции и технологии изготовления высокоточного сферического заряда. 
В 60-х – начале 70-х годов А. С. Козырев с сотрудниками разработали технологию изготовления такого прецизионного шарового заряда (ПШЗ) с жидким ВВ, 
высокосинхронной системой инициирования и слоистой кумулирующей системой. 

Газодинамический термоядерный синтез 

 

9

С этими зарядами в 1981 – 1999 гг. было проведено более трех десятков опытов. В девяти из них был зафиксирован выход более 1013 нейтронов. Максимальный, рекордно высокий на сегодня выход 4 ⋅ 1013 нейтронов в подобных усовершенствованных системах был зарегистрирован 10 декабря 1982 г. из центра мишени, содержащей D–T-газ, с начальным радиусом r0 ≈ 1 мм и начальной плотностью ρ0 ≈ 0,1 г ⋅ см–3 (масса газа 0,65 мг). В этом опыте, по оценкам, были достигнуты температура Т ≈ 0,65 кэВ и максимальная плотность ρ ≈ 80 г/см–3. Значение ρ ⋅ r ≈ 0,8 г ⋅ см–2 является рекордно высоким для инерциального термоядерного синтеза. Однако и в этом опыте экспериментальный нейтронный выход 
оказался ниже расчетного на 2 – 3 порядка. 
Для дальнейшего развития исследований требовались более глубокое понимание и адекватное количественное описание основных факторов, ответственных за генерацию нейтронов. В специальной серии экспериментов удалось показать, что энергия, доставляемая в центр кумулирующей системой, в ≈ 1,6 – 1,7 раза 
меньше той, что предсказывается идеальными сферически-симметричными газодинамическими расчетами. Анализ показал, что учет потери энергии из-за развития турбулентных зон перемешивания, возникающих в результате гравитационной неустойчивости при столкновении оболочек кумулирующей системы, 
вполне может объяснить интегральные потери, наблюдавшиеся в экспериментах. 
Результаты другой специальной серии опытов с ПШЗ привели к гипотезе о наличии регулярной составляющей в асимметрии ПШЗ. Данная гипотеза нашла 
частичное подтверждение в специально поставленных экспериментах, хотя происхождение ее остается пока неясным [1]. 
Все это стимулировало исследователей к поиску новых, более эффективных схем кумулирующей системы, конструкций термоядерных мишеней, менее 
чувствительных к асимметрии и перемешиванию, новых подходов к объяснению 
ранее полученных результатов, физики процессов, происходящих в ГДТС. В немалой степени этому способствуют в настоящее время и значительно возросшие 
расчетные возможности ВНИИЭФ. 
В последнее время начали развиваться методики расчетного моделирования процессов поступления вещества обжимающей оболочки в центральный газ 
в виде струй. Их появление вызвано структурными особенностями материала 
и поверхностей оболочки. Снижение максимальной температуры газа при этом 
происходит значительно сильнее, чем в расчетах по существующим на сегодняшний день теориям развитой турбулентности. 
Другие возможные источники возмущений сегодня связывают с мезоструктурой вещества. По современным представлениям пластическое течение сплошной среды рассматривается на мезоуровне как движение очагов пластичности размером 1 – 100 мкм. Эти очаги имеют вихревой характер, что может служить источником мелкомасштабных возмущений. Подобным источником возмущений 
может служить и пластическое течение расплавленных внутренних оболочек кумулирующей системы, расположенных на низких радиусах. Сходящееся к центру кумулятивное течение всегда сопровождается сдвигом, который, в свою очередь, является источником мелкомасштабной турбулентности [3].