Физика и техника высоких плотностей энергии

ФГУП 
«Российский федеральный ядерный центр – ВНИИЭФ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
65 лет ВНИИЭФ 
 
ФИЗИКА И ТЕХНИКА  
ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ 
 
 
 
 
Выпуск 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 1. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011. – 335 с. – ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0162-2 
 
 
В сборник включены обзорные статьи, посвященные исследованиям ВНИИЭФ 
в различных областях науки и техники. Проблемы кинетики нейтронов, кумуляции 
энергии в слоистых системах, свойства и структура вещества при его сжатии сильными ударными волнами обсуждаются на основе информации, полученной в результате 
выполнения обширных и уникальных экспериментальных программ. Несколько статей посвящено разработке, созданию и использованию мощных сильноточных ускорителей электронов и импульсных ядерных реакторов, а также созданию сверхсильных 
магнитных полей с помощью энергии взрывчатых веществ. Рассказывается об использовании таких полей в физических экспериментах и прикладных задачах, где ВНИИЭФ занимает лидирующие позиции. Две статьи посвящены уникальным тритиевым технологиям, которые будут использоваться при запуске международного ТОКАМАКа. И наконец, 
завершает сборник статья о самом новом во ВНИИЭФ направлении исследований – лазерах. Читателю, безусловно, интересно будет узнать о перспективах и безграничных возможностях этого направления. 
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 978-5-9515-0162-2                                      © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011 

 

 

 

УДК 539.12 
 
О ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ  
В РФЯЦ-ВНИИЭФ  
 
Р. И. Илькаев 
 
Настоящая статья открывает цикл материалов, посвященных работам 
РФЯЦ-ВНИИЭФ в области физики высоких плотностей энергии. Исторически 
развитие многих областей этой науки неразрывно связано с исследованиями в области создания ядерного и термоядерного оружия. 
РФЯЦ-ВНИИЭФ был создан 9 апреля 1946 года. Главной задачей института являлась сначала разработка первой советской атомной бомбы, затем – первых 
образцов термоядерного оружия, и в дальнейшем – создание опытных образцов 
ядерных и термоядерных зарядов различных типов и назначения. В рамках нашей 
основной деятельности был получен целый ряд фундаментальных физических результатов. 
 
 
Российский федеральный ядерный центр – ВНИИЭФ – является крупнейшим в стране научно-исследовательским институтом, решающим сложные задачи оборонного, научного, а также хозяйственного значения. Институт внес 
определяющий вклад в решение задач создания ядерного и термоядерного оружия в нашей стране, ликвидацию атомной монополии США. Деятельность института обеспечила достижение ядерного равновесия в период холодной войны 
и способствовала балансу сил в мире, который удержал человечество от глобальных военных конфликтов. 
Во ВНИИЭФ работали такие выдающиеся ученые, как И. В. Курчатов, 
Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, А. Д. Сахаров, Н. Н. Боголюбов, М. А. Лаврентьев, И. Е. Тамм, Г. Н. Флеров, Е. А. Негин, С. Г. Кочарянц, А. И. Павловский, 
Ю. А. Бабаев, С. Б. Кормер и другие, создавшие в институте многое из того, чего 
достигла и чем гордится отечественная наука. В институте созданы и развиваются крупные школы физиков, математиков, конструкторов, технологов,  
химиков. 
Главная задача ядерного центра сегодня – обеспечение и поддержание 
надежности и безопасности ядерного оружия России. 
РФЯЦ-ВНИИЭФ обладает мощными расчетной, экспериментальной, испытательной, технологической и производственной базами, позволяющими оперативно и качественно решать возлагаемые на него задачи. 
В состав РФЯЦ-ВНИИЭФ входят несколько институтов: теоретической  
и математической физики, экспериментальной газодинамики и физики взрыва, 
ядерной и радиационной физики, лазерно-физических исследований, центр вы

Р. И. Илькаев 

 

4

соких плотностей энергии, а также конструкторские бюро и тематические центры, объединенные общим научным и административным руководством. 
Высокий научно-технический потенциал позволяет РФЯЦ-ВНИИЭФ расширять сферу исследований и разработок и быстро внедряться в новые области 
высоких технологий, получать и успешно осваивать научные результаты мирового уровня, проводить уникальные фундаментальные и прикладные исследования. Это позволяет связывать будущее нашего института с его преобразованием 
в национальный центр безопасности Российской Федерации. 
 
Газодинамика 
 
В прикладном плане газодинамические исследования РФЯЦ-ВНИИЭФ 
определялись и определяются решением различных задач имплозии делящихся 
материалов энергией взрыва химических ВВ. 
К фундаментальным результатам в этой области, прежде всего, относятся: 
• определение уровней кумуляции энергии взрыва ВВ в условиях сферически-симметричных, осесимметричных и трехмерных нагружений металлов  
и выводы о степени устойчивости такой кумуляции; 
• реализация точности схождения ударной волны в центре сферических  
и осесимметричных систем на уровне ≤ 3⋅10–3 размера системы; 
• достижение уровней сжатия металлов в имплозивных системах ≥ 7 раз 
по отношению к их начальной плотности. 
Газодинамические исследования связаны с целой серией работ по определению уравнений состояния многих веществ в области ударно-волновых нагружений, в том числе до уровней давления ~ 10 ТПа. 
Следует также особо выделить выводы об особенностях кумуляции энергии 
в выраженных несимметричных условиях газодинамических течений, которые 
лежат в основе решения задачи ядерной взрывобезопасности ядерного оружия.  
В РФЯЦ-ВНИИЭФ детально исследован целый ряд вопросов физики детонационных процессов, включая процессы возбуждения детонации, устойчивости ее распространения и передачи детонации через инертные экраны. В этой 
области сформулирована система критериев, определяющих устойчивость и/или 
трансформацию процессов. 
Хотя система газодинамических исследований основана, прежде всего, на 
физических экспериментах (постановка которых и средства диагностики также 
разработаны в нашем институте), в РФЯЦ-ВНИИЭФ развиты прецизионные методы физико-математического моделирования газодинамики, включая 3D-модлирование. Можно сказать, что теория и эксперимент в этой области у нас прекрасно дополняют и обогащают друг друга.  
Мы традиционно являемся одним из мировых лидеров научных исследований в этой области и обязаны сохранить это лидерство, что требует поддержки созданных научных школ и систематического обновления экспериментальной базы. 

О фундаментальных физических исследованиях в РФЯЦ-ВНИИЭФ 

 

5

Какая фундаментальная проблема не решена в этой области? Я бы отметил газодинамический термоядерный синтез.  
Эта проблема вылилась в крупное направление исследований в середине 
50-х годов, так как представлялось очень соблазнительным «зажечь» термоядерное горючее в условиях кумуляции в нем энергии взрыва ВВ. С тех пор было 
проведено более сотни крупных экспериментов, однако проблема не решена и, 
по-видимому, еще далека от решения. Уровни сжатия центральных металлических оболочек достигают в этих условиях ≥ 50, а плотность термоядерного горючего превышает 102 г/см3. Возможно, что мы имеем здесь дело с принципиальным развитием неустойчивостей, уменьшение которых находится за пределами наших практических возможностей.  
 
 
Радиационная газодинамика 
 
Это направление фундаментальных исследований связано, прежде всего,  
с задачами разработки термоядерных зарядов. Здесь в основе лежит принцип 
радиационной имплозии, предполагающий: 
• выход значительной части энергии при взрыве ядерного заряда (первичного модуля) в виде рентгеновского излучения; 
• транспортировку энергии рентгеновского излучения к термоядерному 
модулю; 
• имплозию термоядерного модуля с помощью энергии «доставленного» 
рентгеновского излучения. 
Реализация каждой из трех составных частей этого принципа основана на 
радиационной газодинамике. 
Взрыв ядерного заряда, в котором основная часть энергии выделяется  
в нейтронно-ядерных реакциях в делящемся веществе, сопровождается трансформацией этой энергии в рентгеновское излучение и тепловую энергию вещества, находящихся в локальном термодинамическом равновесии (а также в кинетическую энергию среды). В веществе осуществляется перенос рентгеновского 
излучения, которое испускается с поверхности делящегося материала, и далее 
распространяется внутри внешних областей первичного модуля. 
Очевидно, что этот механизм существенно зависит от фундаментальных 
характеристик – пробегов взаимодействия рентгеновских квантов с веществом. 
Для веществ типа урана определяющее значение имеют процессы фотопоглощения и дискретно-дискретные переходы.  
Исследования этой стадии процесса проводились как в рамках приближения лучистой теплопроводности, так и в рамках спектральной кинетики.  
В РФЯЦ-ВНИИЭФ был создан целый ряд физико-математических моделей радиационной газодинамики, которые адаптировались к вычислительным возможностям своего времени. В настоящее время мы используем 3D-модели в приближении лучистой теплопроводности и 2D-модели на основе спектрального 

Р. И. Илькаев 

 

6

кинетического уравнения переноса излучения, объединенные с уравнениями газодинамики.  
Работы по расчету пробегов излучения в различных средах в течение длительного времени выполнялись по нашим заданиям в Институте прикладной математики Академии наук. Сейчас применительно к новым вычислительным возможностям у нас созданы прецизионные программы вычисления спектральных 
пробегов излучения для различных веществ и условий, а также алгоритмы вычисления групповых и усредненных пробегов в соответствии с потребностями 
моделей радиационной газодинамики.  
Исследования процессов радиационной газодинамики позволили осуществить управление переносом рентгеновского излучения внутри первичного модуля и резко повысить качество модулей как источников энергии для радиационной имплозии, что было исключительно важно для практики. 
Вторая часть принципа радиационной имплозии в основном связана с исследованиями в моделях радиационной газодинамики процессов отражения  
и прохождения рентгеновского излучения через слоистые конфигурации различных материалов, часто представляющих собой многоэлементные геометрические фигуры со сложной динамикой. Практическим результатом этих исследований являлось определение количества энергии, поступающей для радиационной имплозии термоядерных модулей. Если на первой стадии основное 
требование предполагало максимизацию количества энергии рентгеновского 
излучения, выходящего из первичного модуля, то на второй стадии таким требованием являлась минимизация потерь энергии. 
Третья часть принципа радиационной имплозии связана с исследованиями 
трансформации энергии рентгеновского излучения в поле давления, обжимающего термоядерный модуль. Это поле является сложным результатом процесса 
распространения излучения в различных материалах и имеет осесимметричную 
структуру. Для получения приемлемых результатов сжатия термоядерного модуля необходимо преобразование осесимметричных граничных условий в симметричный характер имплозии. Решение этой задачи требует управления потоками излучения и газодинамическими потоками как высокотемпературной, так  
и низкотемпературной высокоплотной плазмы, что обеспечивается в рамках  
2D-моделей радиационной газодинамики.  
Следует отметить, что особенности «граничных условий» таковы, что имплозия термоядерного модуля может быть как относительно устойчивой, так  
и неустойчивой. Существуют важные практические приложения, когда процессы имеют трехмерный характер, и в этих целях у нас развиты 3D-модели радиационной газодинамики. Отмечу, что уровень давлений радиационной имплозии, 
который определяет сжатие термоядерных модулей, составляет несколько сотен 
терапаскалей, а в процессе имплозии реализуются сжатия, в десятки раз превышающие начальную плотность используемых веществ. 
Основную роль в решении этих проблем играют методы физикоматематического моделирования, что определяется как особенностями инфор

О фундаментальных физических исследованиях в РФЯЦ-ВНИИЭФ 

 

7

мации, полученной при испытаниях термоядерных зарядов, так и отсутствием 
таких возможностей в настоящее время. Крупнейшим экспериментальным результатом явилось определение «зон устойчивости» радиационной имплозии 
термоядерных модулей, а также определение физических факторов, выводящих 
за пределы этих зон.  
Подчеркну, что радиационная газодинамика представляет собой выдающийся пример того, как фундаментальная научная дисциплина обеспечила проектирование конструкций, в которых переплелись сложнейшие физические процессы, в отношении ключевых параметров которых экспериментальные данные 
были крайне ограниченны. Колоссальные практические достижения, полученные на основе радиационной газодинамики, сделали нас, безусловно, лидерами  
в этой области, по крайней мере, на одном уровне с исследованиями в США. 
Какие проблемы мне представляются  в связи с этим крайне важными? 
Прежде всего, нам необходимо усилить экспериментальную базу для моделирования в лабораторных условиях особенностей физических процессов, которые имеют ту же природу, что и их аналоги в условиях радиационной имплозии. Такими установками являются мощные лазеры, разрабатываемые для целей 
лазерного термоядерного синтеза. У нас в институте действуют два прототипа 
такой установки, но их энергетика недостаточна для осуществления необходимого моделирования. Необходим лазер с энергетикой ~ 1 МДж.  
Установки этого класса существуют в США и во Франции, строятся в Великобритании и КНР. Хотя проект по созданию мощного лазера в интересах 
экспериментального исследования фундаментальных параметров радиационной 
имплозии был представлен нами в 90-е годы, его реализация еще не началась. 
Нас очень беспокоит такое отставание, хотя вплоть до середины 90-х годов мы 
входили в этой области в число мировых лидеров. 
 
 
Термоядерное горение 
 
В нашем институте было разработано устройство (термоядерный заряд 
РДС-6с), в котором 12 августа 1953 года было впервые реализовано горение 
термоядерного горючего. Это устройство разрабатывалось как модель мощной 
«водородной» бомбы и широко известно под названием «слойки» А. Д. Сахарова. В рамках этого проекта был решен целый ряд фундаментальных задач.  
Устройство представляло собой систему из чередующихся слоев термоядерного материала (дейтерид-тритид лития и дейтерид лития) и урана с различным содержанием изотопа 235U и обеспечивало их газодинамическую имплозию. Остановлюсь на этом подробнее, так как данное устройство можно рассматривать как физическую установку для осуществления импульсной термоядерной реакции. 
Во-первых, для первоначального нагрева термоядерного материала обеспечивался ядерный взрыв центрального ядра из 235U. При этом для зажигания 

Р. И. Илькаев 

 

8

термоядерного материала было важно, чтобы он также подвергался процессу 
имплозии. Во-вторых, при установлении изотермического режима  между термоядерным материалом и окружающим ураном происходило дополнительное 
сжатие термоядерного материала вследствие выравнивания давлений (известно 
как процесс «сахаризации»). В-третьих, горение термоядерного материала происходило в режиме термодинамического равновесия между излучением и веществом. В-четвертых, деление урана «термоядерными» нейтронами обеспечивало 
дополнительный рост температуры среды и ускорение термоядерных реакций, 
затем дополнительное деление урана и т. д.  
Следует отметить, что «слоеный» термоядерный заряд рассматривался  
в 1946–1947 гг. Э. Теллером в США. Однако он никогда не был там создан. Одним из факторов, повлиявших на это, были ограниченные возможности масштабирования энерговыделения, другим был фундаментальный фактор – возможное 
развитие неустойчивостей при имплозии слоеной системы и на начальной стадии ее горения. 
В нашей разработке придавалось большое значение вопросам обеспечения 
прецизионности газодинамической имплозии, и эксперимент подтвердил отсутствие влияния газодинамических неустойчивостей на термоядерное горение. 
Проблема масштабирования энерговыделения была решена на пути радиационной имплозии. Когда в 1954 году возможности этого принципа были осознаны, у нас уже был фактически создан прототип термоядерного модуля, которым явилась центральная часть РДС-6с. Теперь в новых условиях многократно 
более мощной имплозии термоядерный модуль существенно увеличил энерговыделение (в качестве термоядерного материала использовался дейтерид лития). 
Этот принцип был реализован 22 ноября 1955 года в испытании РДС-37. Существенно, что влияние гидродинамических неустойчивостей на термоядерное горение не проявилось и при переходе к этому новому виду имплозии. 
В дальнейшем в натурных испытаниях термоядерных зарядов различных типов стали встречаться случаи, в которых термоядерное горение не приводило к расчетным результатам. Со временем при совершенствовании физико-математических 
моделей и росте вычислительных возможностей во многих таких случаях был обнаружен сильный рост крупномасштабных гидродинамических неустойчивостей, 
приводивших к снижению эффективности термоядерного горения.  
В рамках программы создания термоядерных зарядов были созданы весьма совершенные образцы, которые и сегодня составляют основу ядерного сдерживания и по своему качеству заведомо не уступают американским аналогам. 
Какую проблему хотелось бы здесь отметить? Не все результаты натурных 
испытаний термоядерных зарядов получили свое последовательное физическое 
объяснение. Это означает, что не все особенности термоядерного горения в подобных устройствах до конца поняты, и мы работаем над дальнейшим совершенствованием физико-математических моделей в этой области. Подчеркну, что 
одновременно для этого требуется дальнейший рост вычислительных возможностей. 

О фундаментальных физических исследованиях в РФЯЦ-ВНИИЭФ 

 

9

Бустинг 
 
Фундаментальным достижением физики высоких плотностей энергии 
явилось осуществление зажигания и устойчивого режима горения ТD-смеси  
в ядерных зарядах, известного как бустинг. С практической точки зрения, это 
привело к существенному прогрессу в габаритно-массовых параметрах ядерных 
зарядов, к повышению их безопасности и устойчивости работы в условиях 
определенных воздействий. 
Физически это очень сложный режим, поскольку зажигание TD-смеси осуществляется при относительно низких температурах, реализуемых на начальной 
стадии ядерного взрыва, а сама TD-смесь к этому моменту представляет собой 
сложную гетерогенную структуру с окружающим ее делящимся материалом. 
Исключительную роль в решении этой задачи играют газодинамические исследования, включая радиографические методы. Именно радиографические эксперименты показали, что при выполнении определенных критериев потенциально 
неустойчивый режим имплозии TD-смеси и окружающего ее делящегося материала может быть реализован в виде устойчивого конечного состояния. 
Реализация бустинга тесно связана с методами физико-математического 
моделирования, и у нас разработан целый ряд методик, сочетающих прецизионные расчеты в полуфеноменологической постановке. Отмечу, что на основе газодинамических исследований и методов физико-математического моделирования нами разработан ряд способов управления бустингом. Эти возможности 
управления имеют исключительную практическую ценность. 
Здесь я обозначу одну существенную проблему. Конфигурация «критической» области, определяющая бустинг, принципиально трехмерная. Для ее достаточно точного определения необходимы трехмерные программы газодинамики, включая детонацию ВВ, а учет особенностей горения этой конфигурации 
требует трехмерных расчетов радиационной газодинамики и нейтронноядерного взаимодействия. С учетом специфических характеристик «критической» области для этого необходимы существенно более мощные вычислительные возможности, чем те, которыми мы пока обладаем. 
 
Термоядерное инициирование 
 
Фундаментальные трудности осуществления инерциального термоядерного синтеза хорошо известны. В РФЯЦ-ВНИИЭФ эта проблема была частично 
решена. В этих целях сферическая система, содержавшая термоядерное горючее 
и не содержавшая делящиеся материалы, была подвергнута в 1962 году радиационной имплозии. В результате удалось обеспечить зажигание термоядерного 
материала с небольшим энерговыделением. В том же 1962 году было проведено 
еще два успешных эксперимента, в которых было обеспечено термоядерное 
инициирование дейтерида лития. При этом термоядерная инициирующая система (ТИС) использовалась для зажигания других слоев термоядерного горючего.