Российский Федеральный Ядерный Центр Всероссийский научно исследовательский

Российский Федеральный Ядерный Центр Всероссийский научно – исследовательский институт экспериментальной физики Исследование кинематических и термодинамических характеристик ударно-сжатых веществ для построения УРС 1

Цели работы • Разработка и совершенствование взрывных методов генерации вещества с высокой концентрацией энергии • Исследования состояний вещества с сильным межчастичным взаимодействием • Получение новой экспериментальной информации о термодинамических и переносных свойствах вещества с высокой концентрацией энергии в состояниях, реализуемых при ударно-волновом сжатии и адиабатическом расширении • Разработка теоретических моделей для расчета состава и термодинамических функций вещества с высокой концентрацией энергии • Построение широкодиапазонных полуэмпирических уравнений состояния на основе полной совокупности экспериментальных и теоретических данных 2

УДАРНОЕ СЖАТИЕ Плавлен ие Hm S=const S ИЗОЭНТРОПИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ Плазма Тв. Статически е эксперимен ты Жидкост ь Электровзрыв Газ 3

Схема контактного генератора ударных волн Схема метательного генератора плоских ударных волн 6 1 – линзовый заряд ВВ; 2 – выравнивающая инертная линза; 3 – основной заряд ВВ; 4 – ударник; 5 – экран из эталонного материала; 6 – исследуемые образцы; 7 – электроконтактные датчики; 8 – воздушный зазор 1 – линзовый заряд ВВ; 2 – выравнивающая инертная линза; 3 – основной заряд ВВ; 4 – ударник; 5 – экран из эталонного материала; 6 – исследуемые образцы; 7 – электроконтактные датчики; 8 – прокладка из плексигласа 4 толщиной 1 мм

Схема измерительного устройства типа МЗ для измерения скорости полета оболочки (а) и скорости ударной волны в образцах (б) 1 – полусферический заряд ВВ; 2 – стальная оболочка; 3 – стальной экран; 5 и 6 – электроконтактные датчики для измерения скорости ударной волны D и скорости полета оболочки W; 7 – медный штырь; 8 – стальной колпачок 5

ГЕНЕРАТОР УДАРНЫХ ВОЛН СФЕРИЧЕСКОЙ ГЕОМЕТРИИ 6

Методы исследования адиабатического расширения веществ 7

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ УДАРНО-СЖАТОГО ГАЗООБРАЗНОГО ДЕЙТЕРИЯ И ГЕЛИЯ ВЫСОКОЙ НАЧАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ 1 – корпус, 2 – основание; 3 – экран (алюминий АД-1); 4 – эталонный образец (алюминий АД-1); 5 – обойма; 6 - оптические датчики; 7 – измерительная линия; 8 – ВВ (100 кг); 9 – воздушный зазор; 10 - ударник (сталь 3) 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ МЕТАЛЛОВ В ДВУХФАЗНОЙ ОБЛАСТИ ЖИДКОСТЬ-ПАР МЕТОДОМ ИЗОЭНТРОПИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ ФОТОХРОНОГРАММА ОПЫТА 1 0 1 – УДАРНИК 2 – ЭКРАН 3 – ИССЛЕДУЕМЫЙ ОБРАЗЕЦ 4 – ГАЗ 5 – ПРОЗРАЧНОЕ ОКНО 0 – ВЫХОД УВ ИЗ МИШЕНИ В ГАЗ 1 – ОТРАЖЕНИЕ УВ В ГАЗЕ ОТ ОТСЕЧКИ 9

МНОГОКРАТНОЕ УДАРНОЕ СЖАТИЕ P 10 ТПа P U МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ УДАРНОЕ (квази-изоэнтропическое) сжатие P U АДИАБАТИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ 5 -6 порядков P 4 -5 порядков V взрывная сборка U 10

МНОГОКРАТНОЕ УДАРНОЕ СЖАТИЕ ВОДОРОДА Жидкий азот T=77 K H 2 ВВ 11

Принципиальная схема баллистической ударной трубы БУТ-76 12

Результаты опытов по исследованию прочностных свойств меди М 1 методом Тейлора а) б) 1 - образец-свидетель; 2 - W=74 м/с; 3 - W=101, 3 м/с; 4 - W=150, 4 м/с; 5 - W=201, 2 м/с; 6 - W=250, 6 м/с; 7 - 305, 3 м/с а) - фотографии образцов после нагружения; б) - график зависимости относительной деформации от скорости нагружения 13

УСТАНОВКА ОТДЕЛА 0304 14

Принципиальная конструктивная схема легкогазовой пушки (ЛВ) 1 -вакуумная мишенная камера (ВМК); 2 - мишень; 3 -металлический ударник; 4 -направляющий стаканчик (поддон) снаряда; 5 -ствол; 6 -стальная диафрагма; 7 -камера высокого давления (КВД); 8 -устройство разрушения диафрагмы 15

Блок схема системы дистанционного управления гелиевой пушки 16

Окно программы управления пушкой 17

Фотографии ударников и мишеней после соударения 18

Внешний вид стенда «ЛГПР» 19

Структурная схема взрывного ударного стенда «Ствол-65» 20

6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО для исследования квази-изоэнтропического сжатия вещества 7 8 10 2 1 – газообразный дейтерий 2 – блок ВВ 3 – фокусирующая система 4 – внешняя оболочка 5 – оргстекло 6 – вставки 7 – заглушки 8 – гайка 9 – внутренняя оболочка 10 – контакты 11 – источник газа – термопары 4 5 3 9 6 8 7 1 11 L ~ 90 м 21

КВАЗИИЗЭНТРОПИЧЕСКОЕ СЖАТИЕ ГАЗООБРАЗНОГО ДЕЙТЕРИЯ Дейтерий ВВ ОБОЛОЧКА 1 – Источники излучения, 2 – Микро-казематы, 3 – Регистраторы 22

РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА 23

Рентгенограммы оболочек в экспериментальном устройстве с массой ВВ 16 кг в исходном состоянии (а) и в момент максимального сжатия дейтерия (б) Две полосы на рентгенограмме исходного состояния соответствуют внутренней границе внутренней оболочки 24

Квазиизэнтропическое сжатие газообразного дейтерия 25

Квазихимическая модель плазмы (микроскопичекое описание) A+ e A++ A A+ + e A A+ Ze rc A++ Атомы, ионы, молекулы: Эффекты неидеальности : Вклад электронов: Кулоновские поправки: Приближение Дебая – Хюккеля, модифицированная псевдопотенциальная модель и др. , . . . Короткодействующее отталкивание: Атомы, молекулы и ионы - учет эффекта “собственного объема”. . . Притяжение нейтрал-нейтрал Статсуммы: Зависимость от температуры и плотности: Qj = g 0 , Планк – Ларкин, Старостин–Рерих 26

Ударные адиабаты пористого никеля в рамках химической модели плазмы (код SAHA-IV) T=93600 K ГD=3, =1. 67 Экспериментальные данные: 2, 3 – R. G. Mc. Queen, S. P. Marsh, 1960, J. M. Walsh et al, 1957, 4, 5 – Л. В. Альтшулер и др. , С. Б. Кормер и др. , 1962, 6 -13 – Р. Ф. Трунин и др. 1989 -2001 27

ИОНИЗАЦИЯ ДАВЛЕНИЕМ Теория Рост числа электронов при сжатии Эксперимент Идеальная плазма проводимость гелия 28

Фазовая диаграмма и ударные адиабаты аргона P 0 = 1 ат P 0 = 5 ат P 0 = 20 ат 29

ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ УРАВНЕНИЯ Модифицированная модель Ван-дер. СОСТОЯНИЯ Ваальса УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ С УЧЕТОМ ИСПАРЕНИЯ, ИОНИЗАЦИИ И ПЛАВЛЕНИЯ VC(Prep) – сжимаемый ‘коволюм’ (собственный объем частиц) МОДЕЛЬ ЖИДКОСТИ МОДЕЛЬ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ 30

УДАРНАЯ АДИАБАТА И ИЗОЭНТРОПЫ РАЗГРУЗКИ ПОРИСТОГО МОЛИБДЕНА Ударная адиабата молибдена Изоэнтропы расширения молибдена Изломы изоэнтроп расширения на границах двухфазной области 31

УДАРНЫЕ АДИАБАТЫ И ИЗОЭНТРОПЫ РАЗГРУЗКИ СПЛОШНОЙ И ПОРИСТОЙ МЕДИ Lg (P/ ГПа) Ударные адиабаты меди Изоэнтропы расширения меди 32

Широкодиапазонное полуэмпирическое уравнение состояния ВНИИЭФ Фазовая диаграмма цинка 33

Расчет параметров ударного сжатия воды, азота, окиси и двуокиси углерода 34

Полуэмпирическое уравнение состояния РОСА-М для описания свойств конструкционных материалов Модель РОСА-М: - Потенциальная составляющая (холодная кривая, нормированная при низких плотностях на состояния при нормальных условиях, модель ТФП для описания области сверхвысоких сжатий), - Учет изменения теплоемкости ядер при низких температурах по модели Дебая, - Учет термически возбужденных электронов; - Возможность расчета термодинамических функций внутри двухфазной области жидкостьпар. 35

Зависимости давления от плотности вдоль ударных адиабат пористого алюминия Сплошные линии – расчет по УРС РОСА-М. Эксперимент: 1 – r 00=1. 9 г/см 3; 2 ‑ r 00=1. 3 г/см 3; 3 – r 00=0. 91 г/см 3; 4 – r 00=0. 34 г/см 3. 36

Зависимости давления от массовой скорости на ударных адиабатах и изоэнтропах расширения сплошного алюминия Расчет по УРС РОСА-М: 1 – ударная адиабата; 2 – ударные адиабаты повторного сжатия; 3 – изоэнтропы расширения. Экспериментальные данные: 4 – начальные состояния за фронтом первой ударной волны для повторных адиабат и изоэнтроп расширения; 5, 6 – состояния на ударных адиабатах повторного сжатия; 7 – состояния на изоэнтропах расширения 37

«Диэлектризация» лития под давлением Стандартное поведение вещества под давлением Эксперимент Увеличение проводимости с ростом степени сжатия и теория (1999 -2002) (плотноупакованная структура) Cmca c. I 16 bcc 16 ГПа fcc 41 ГПа h. R 1 48 ГПа c. I 16 165 ГПа Cmca 38

Основные научные результаты n Созданы оригинальные методики генерации и диагностики состояний вещества с высокой концентрацией энергии. n Построены модели уравнения состояния вещества с высокой концентрацией энергии. n Проведен широкий цикл экспериментальных и теоретических исследований термодинамических и переносных свойств вещества в неизученной ранее области фазовой диаграммы. n Экспериментально и теоретически обнаружены и исследованы новые физические эффекты: ионизация давлением, диэлектризация металлов под давлением. 39

Прикладное применение n Моделирование работы установок термоядерного синтеза n Проблемы безопасности ядерных реакторов n Моделирование работы ядерных боеприпасов в различных режимах n Расчеты механического воздействия поражающих факторов ядерных взрывов на объекты различного назначения n Разработка неядерных боеприпасов нового поколения 40

Прикладное применение n Моделирование работы ядерных боеприпасов в различных режимах n Моделирование работы установок термоядерного синтеза n Проблемы безопасности ядерных реакторов n Расчеты механического воздействия поражающих факторов ядерных взрывов на объекты различного назначения n Разработка неядерных боеприпасов нового поколения 41

ФАЗОВАЯ ДИАГРАММА ВЕЩЕСТВА 1023 - Big Bang ~1000 1020 - Pulsar Z 4 - P-ionization 26 HE TF ~ 1 White Dwarth 100 Fusion-IC 1 Tb SUN Jupiter Metals B. Dwarth 1 Gb Lg N 22 n 3 ~ 1 MHD Debye 18 Sparc Semicond. Plasma processing Ionization 14 Flames 3 Big Bang e+e- pairs Ry 5 Relativistic T ~ mc 2 Tokamak Z, pinch ~ 1 1 Mb Stellar Corona Lg T 7 9 42

Исследование свойств дейтерия и гелия при ударном и квазиизэнтропическом сжатиях В ИФВ разработаны и внедрены устройства, сочетающие генераторы ударных волн и камеры высокого давления для исследования термодинамических свойств газов при давлениях около 1 Мбар при ударном сжатии и 5 Мбар при квазиизэнтропическом сжатии Экспериментальное устройств для исследования свойств ударно-сжатых газов высокой начальной плотности 1 – корпус, 2 – основание; 3 – экран (алюминий АД-1); 4 – эталонный образец (алюминий АД-1); 5 – обойма; 6 - оптические датчики; 7 – измерительная линия; 8 -ВВ (100 кг); 9 -воздушный зазор; 10 -ударник (сталь 3) Адиабаты Гюгонио газообразного дейтерия Расчет: сплошные линии - модель МСК [ВНИИЭФ]; пунктирные – модель SAHA-IV; цифры на графике обозначают начальную плотность газообразного дейтерия Экспериментальное устройство для исследования квазиизоэнтропического сжатия газов 1 – газообразный дейтерий; 2 – блок ВВ; 3 – фокусирующая система; 4 – внешняя оболочка; 5 – оргстекло; 6 – вставки; 7 – заглушки; 8 – гайка; 9 – внутренняя оболочка; 10 – контакты; 11 – источник газа - термопары Зависимость давления от плотности в ударно-сжатом гелии Эксперимент: , ▲ - газообразный гелий (ВНИИЭФ), - жидкий гелий [США] Расчет: 1, 2 – варианты расчета ВНИИЭФ, 3 - вариант расчета SESAME Схема эксперимента по квазиизэнтропическому сжатию газообразного дейтерия 1 – источники излучения, 2 – микро-казематы, 3 – регистраторы Квазиизэнтропическое сжатие газообразного дейтерия 43